Grundlagen Der Niederspannungs Schalttechnik

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

Siemens AG © 2008

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

Liebe Ingenieure, Techniker und Siemens-Kunden, die Niederspannungs-Schalttechnik ist eine Disziplin innerhalb der Elektrotechnik mit zwei Gesichtern: Zum einen bedient sie die einfache Schalttechnik für zuverlässige, robuste und “zeitlose” Systemlösungen, zum anderen steigert sie sukzessive die Funktionsintegration durch den verstärkten Einsatz elektronischer Bauteile. Dadurch bietet sich die Niederspannungs-Schalttechnik für eine Vielzahl industrieller Lösungen an und spielt zudem ihre Stärken in Industrie- und Zweckbauten aus. Das für Sie neu konzipierte Werk “Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik” gibt Ihnen einen hervorragenden Überblick über Komponenten, Systeme und Lösungen bis 1.000 V Netzspannung. Es zeigt Ihnen die Innovationskraft dieses Branchensegments und vermittelt außerdem wertvolles Expertenwissen für das Verständnis der grundlegenden Zusammenhänge innnerhalb der Niederspannungs-Schalttechnik. Die Kapitelstruktur macht deutlich, dass die Innovationsgeschwindigkeit höher geworden ist und sich Systemlösungen heute stärker als früher in ein großes Gesamtes einfügen müssen. Aufgrund der hohen Funktionsvielfalt lässt sich deshalb an manchen Stellen nur prinzipiell erläutern, wofür sich bestimmte Produkte am besten eignen. Wie multifunktional viele Niederspannungs-Schaltgeräte sind, lässt sich allein schon daran ablesen, dass immer mehr von ihnen softwarebasiert arbeiten und somit einen erheblichen Mehrwert bieten. Die anwendungsspezifische Parametrierung - häufig auch als “customizing” bezeichnet vereinfacht und beschleunigt nicht nur die Integration in Elektroplanungen, sondern sie schafft auch die Basis für Modifikationen, Anpassungen und Optimierungen im laufenden Betrieb. Das genaue Vorgehen und die Möglichkeiten solcher softwarebasierten Geräte finden Praktiker dann detailliert im Internet beschrieben.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

Begriffe wie Totally Integrated Automation (TIA) und Totally Integrated Power (TIP) drücken Trends aus, denen die NiederspannungsSchalttechnik entspricht - und diese aktiv gestaltet. Zum einen fügen sich die modernen, busbasierten NiederspannungsSchaltgeräte harmonisch in die Automatisierungslandschaft ein, zum anderen liefern sie die Voraussetzungen für eine vollkommene Integration in Anlagen zur Energieverteilung. Auch hier erweist sich die Niederspannungs-Schalttechnik als vielseitige Technik, die es gelernt hat, mit Innovationen die gestellten Anforderungen zu erfüllen. Verwenden Sie die “Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik”, als Standard-Werk für die eigene Wissenerweiterung, aber auch als persönlichen Ideen-Pool. Denn es enthält eine Reihe von Kapiteln, die speziell auf die Anforderungen in der Praxis bzw. Lösungen aus der Praxis eingehen; es liefert zudem viele Hinweise darauf, wie Schaltungen optimiert werden können. Wie sehr die praktischen Aspekte beim Aufbau des Werks im Vordergrund standen erkennen Sie auch daran, dass Hinweise und Tipps ihr Augenmerk auf besonders interessante Textpassagen lenken. Um den modernen Charakter dieses Grundlagenwerks zu vollenden, finden Sie alle Kapitel im Internet/Intranet zum Download unter: www.siemens.de/lowvoltage/grundlagen http://intranet.siemens.de/lowvoltage/grundlagen Das Online-Medium ermöglicht das rasche Finden wichtiger Informationen - und zwar von jedem Punkt der Erde aus. Es bietet zudem die Möglichkeit der schnellen Aktualisierung der Inhalte, was den Nutzwert des praxisorientierten Grundlagenwerks zusätzlich erhöht. Ich wünsche Ihnen viel Erfolg und wertvolle Ideen mit dieser neuen Ausgabe “Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik”. Ihr

Paulo Ricardo Stark

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

Inhaltsverzeichnis Niederspannungsnetze ......................................................................1 – 1-9 – – – –

Netzformen Netzsysteme nach Art der Erdverbindung – TN-C, TN-C/S, TN-S, IT, TT Dimensionierung von Energieverteilungen Stromkreisarten

Netzdaten und Betriebsarten ..........................................................2 – 1-22 – – – – – – – –

Netzdaten Kurzschlussstrom Kurzschlussarten Beitrag von angeschlossenen Motoren zum Kurzschlussstrom Wirkungen des Kurzschlussstroms Diagramme zur Widerstands- und Kurzschlussstrombestimmung Einfluss der Transformatoren und Leitungen auf den Kurzschlussstrom Betriebsarten

Internationale Netzspannungen und Frequenzen in Niederspannungsnetzen .........................................3 – 1-6 – – – – – – – – –

Westeuropa Osteuropa Nahost Fernost Nordamerika Mittelamerika Südamerika Afrika Ozeanien

Netzschutz ..........................................................................................4 – 1-47 – – – – – – –

Grundlagen Schutzeinrichtungen Niederspannungs-Schutzgerätekombination Selektivitätskriterien Anfertigen von Strom-Zeit-Diagrammen (Staffeldiagrammen) Niederspannungsseitige Zeitstaffelung Schutzgeräte für Niederspannungsnetze - Leistungsschalter mit Schutzfunktionen - Schaltkombinationen - Schaltkombinationen mit Sicherungen - Schutz- und Wirkungsbereiche der Geräte - Auswahl der Sicherungen - Auswahl der Schutzgeräte - Leitungsschutzschalter - Blitzschutz/Erdungsanlagen

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Inhaltsverzeichnis Störungen und Schutzeinrichtungen.........................................................5 EMV im Endstromkreis ...................................................................5A – 1-6 – Definition der ersten und zweiten Umgebung – Verlegung von Leitungen und Schirmung

Fehlerstrom Schutzeinrichtungen ...............................................5B – 1-10 – Präventivmaßnahmen für Brandschutz

Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme........................................5C – 1-58 – Grundlagen – Aufbau und Wirkungsweise von Überspannungsschutzgeräten – Schutzstufenkonzept – Netzsysteme – Tipps zur Installation – Fehlerstromschutzeinrichtungen - Schutz durch Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen - Fehlerstromschutzeinrichtungen - Installations- und Anwendungstipps – Grundlagen von Sicherungssystemen - Funktion, Technische Daten und Kennlinien - Sicherungsanwendungen - Besondere Anwendungen und Umgebungsbedingungen

Niederspannungs-Schaltanlagen ...................................................6 – 1-12 – – – –

Übersicht Checkliste für die innere Unterteilung der Felder Niederspannungs-Schutz- und -Schaltgeräte Anforderungen an die Schutzgeräte in den drei Stromkreisarten - Geräteeinsatz im Einspeisestromkreis - Geräteeinsatz in Einspeisestromkreisen (Kupplung) - Geräteeinsatz im Verteilerstromkreis - Geräteeinsatz im Endstromkreis

Schienenverteiler-Systeme ..............................................................7 – 1-26 – Vergleich von Schienenverteilern und Kabelinstallationen – 25 bis 40 A für die Versorgung von Leuchten und Kleinstverbrauchern – 40 bis 160 A für Werkstätten mit Abgängen bis 63 A – 160 bis 1.250 A zur Versorgung von mittelgroßen Verbrauchern in Gebäuden und industriellen Anwendungen – 1.100 bis 5.000 A als ventiliertes System zum Energietransport in Anwendungen mit hohem Energiebedarf

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Inhaltsverzeichnis – 800 bis 5.000 A vorwiegend zum lageunabhängigen Energietransport und speziellen Leiterkonfigurationen wie doppelter N oder isolierter PE – 630 bis 6.300 A zum Energietransport bei extremen Umgebungsbedingungen (IP68) – Planungstipps und Besonderheiten – Ermittlung des Spannungsfalls - Dimensionierung und Auswahl - Spannungsfalldiagramme - Überlast- und Kurzschlussschutz - Schleifenimpedanz – Schutzarten für Schienenverteiler - Einsatz in feuergefährdeten Betriebsstätten - Berührungsschutz nach DIN EN 50274 - Schutzarten elektrischer Betriebsmittel (DIN EN 60529) - Verteilungssysteme (Netzformen) nach IEC 60364-1 - Übersicht Verteilungssysteme – Brandschottung - Ausführungen – Magnetische Felder - Ergebnisse der Magnetfeldprüfung

Grundlagen der Schaltplanerstellung............................................8 – 1-73 – – – – – –

– –

Schaltplanarten Schalten mit Schützen Schütze mit Ausschaltverzögerer bei flatterhafter Kommandogabe Verlängerte Hilfsschaltglieder bei Schützen (vornehmlich bei Gleichstrombetätigung) Direktes Schalten von Drehstrom-Asynchronmotoren - Beispielschaltungen Anlassen von Drehstrom-Asynchronmotoren mit Stern-Dreieck-Schaltungen - Beispielschaltungen Schaltungen zum Motorschutz - Beispielschaltungen Stromlaufpläne für unterschiedlichen Anwendungsbereiche - Stromlaufpläne für Ein-, Aus-, Wendeschaltungen - Stromlaufpläne für eine Schaltung mit Bandwächter - Stromlaufpläne für einen Drehstrom-Asynchronmotor mit Druckwächter in Schützsteuerung - Stromlaufpläne für Positionsschalter mit Leuchtmelder - Schaltungen mit schaltbaren Wandler-Reihenklemmen - Schutzschalterklemmen für Hilfsstromkreise

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Inhaltsverzeichnis - Initiator-Aktor-Klemmen - Schaltungen mit Fehlerstrom-(Differenzstrom-)Schutzeinrichtungen - Koppelglieder - Schaltungen mit Zeitrelais - Ersatzstromversorgungsanlagen

Auswahlkriterien für Niederspannungs-Schaltgeräte in Hauptstromkreisen .......................................................................9 – 1-51 – – – – – – – – –

Bemessungsspannung und Netzfrequenz Bemessungs-Kurzschlussfestigkeit und Bemessungsschaltvermögen Bemessungsströme Schaltaufgaben und -bedingungen Schalten von Anlagenkomponenten Schalthäufigkeit und Lebensdauer Schutz bei Überstrom und Übertemperatur Schutzgeräte Schutz von Anlagenkomponenten

Auswahlkriterien für Niederspannungs-Schaltgeräte in Hilfsstromkreisen........................................................................10 – 1-18 – – – –

Beispiele für Spannungsfall Einsatz von Hilfsschützen in Sicherheitsstromkreisen Auswahlkriterien für Kleintransformatoren in Niederspannungsnetzen Ausführungsarten von Transformatoren

Strombelastbarkeit und Schutz ....................................................11 – 1-30 – Strombelastbarkeit und Schutz von Kabeln, Leitungen und Stromschienen bei Überstrom - Zuordnung von Schutzeinrichtungen - Strombelastbarkeit - Belastung isolierter Leitungen bei Umgebungstemperaturen von 30 °C bis 70 °C und Zuordnung von Leitungsschutzsicherungen nach US-amerikanischen und kanadischen Bestimmungen - Bemessungsströme von Drehstrom-Asynchronmotoren - Drehstrom-Verteilungstransformatoren

Überwachen, Steuern, Schalten...................................................12 – 1-26 – – – – – –

Relais und ihre unterschiedlichen Überwachungsfunktionen Motormanagement Simocode Softwareunterstützung Simocode pro mit Safety Simocode pro mit Sivacon Sirius Relais zum Überwachen, Steuern und Schalten

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Inhaltsverzeichnis Motorstart für die Praxis................................................................13 – 1-16 – – – –

Grundlagen Schützen von Elektromotoren Schalten von Elektromotoren Starten von Elektromotoren

Energiemanagement....................................................................14 – 1-10 – Drei Phasen zur Implementierung eines umfassenden Energiemanagements – Energiemanagement Simatic PCS7 powerrate – Datenerfassung und -auswertung

Systeme zur Energieverteilung .................................................14A – 1-15 – Ecofast - Angebot, Planung und Projektierung - Inbetriebnahme - Verfügbarkeit - Aufbau und Vorteile von Ecofast - Topologie – Motorstarter ET200 - Energieverbindungen und Busanbindungen – Aufbauvarianten des Energiebus – Aufbaurichtlinien am Profibus DP

Selektivität und Backup-Schutz ....................................................15 – 1-19 – Selektivität und Backup-Schutz in Niederspannungsnetzen - Selektivität in Strahlennetzen - Leistungsschalter mit nachgeordneter Sicherung - Selektivität und Unterspannungsschutz – Selektivität in Maschennetzen - Leistungstransformatoren im Maschennetz - Schutz von Kondensatoren - Backup-Schutz

Kommunikation in Industrie und Zweckbau..............................16 – 1-15 – – – – – – – – –

Gefahrenmanagement Betriebsführung Merkmale der technischen Kommunikation Topologie ISO/OSI Schichtenmodell Zugriffsverfahren Kommunikationspyramide Bussysteme KNX (Konnex)

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Inhaltsverzeichnis Softwaretools ..................................................................................17 – 1-18 – Software für die Energieverteilung - Simatic PCS 7 powerrate - Simatic WinCC powerrate - Simatic PCS 7 Library PAC3200 - Switch ES Power – Software für die Automatisierung: Sirius ES - Sirius Soft Starter ES - Sirius Motor Starter ES - Sirius Simocode ES - Sirius Modular Safety System ES - Ecofast ES

Funktionale Sicherheit von Maschinen und Anlagen...............18 – 1-25 – Einleitung – Grundlegende Sicherheitsanforderungen in der Fertigungsindustrie – Grundlegende Normen beim Entwurf von Steuerungsfunktionen – Schritt für Schritt: Entwurf und Realisierung von sicherheitsbezogenen Steuerungen – Sicherheitsplan nach EN 62061 – Leitfaden bei der Realisierung einer sicheren Maschine – Schritt 1: Strategie zur Risikominderung nach EN ISO 121001, Abschnitt 1 – Schritt 2: Risikobewertung – Schritt 3: Aufbau der Sicherheitsfunktion und Bestimmung der Sicherheitsintegrität – Methodik nach EN 62061 – Methodik nach EN ISO 13849-1 – Schritt 4: Validierung auf Basis des Safety Plans – Sicherheit aus einer Hand - Geräte zum Erfassen - Geräte zum Auswerten - Geräte zum Reagieren - Begriffe zur funktionalen Sicherheit

Sicherheitstechnik in der Praxis...................................................18A – 1-7 – Schneller Überblick zum neuen Bewertungsgrundsatz der Sicherheit – Performance Level

Explosionsschutz / ATEX-Zertifizierung........................................19 – 1-56 – Produkte und Systeme für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen - Physikalische Grundlagen und Kenngrößen

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Inhaltsverzeichnis - Rechtliche Grundlagen und Normen - Sicherheitstechnische Kennzahlen – brennbare Stäube - Errichten und Betreiben elektrischer Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen - Eigensicherheit - Ex-Schutz in Nordamerika: Vergleich Zonen/Divisionen - Zulassungs- und Prüfstellen - Explosionsschutz – auf den Punkt gebracht! - Produktspektrum für den Ex-Bereich – Produktspektrum Industrie-Automatisierungssysteme - Simatic ET 200 - Simatic Panels - Kommunikationsprodukte - Produktspektrum Niederspannungs-Schalttechnik - Produktspektrum Sensorik - Produktspektrum Motoren und Getriebemotoren - Explosionsschutz – auf den Punkt gebracht! – ATEX-Produkte der Niederspannungs-Schalttechnik auf einen Blick – Literaturverzeichnis zum Explosionsschutz

Wissenswertes rund um UL ..........................................................20 – 1-24 – – – – – – – –

UL-Zertifizierung Inspektion und Abnahme vor Ort Besonderheiten des UL-Markts Stromkreis und Schaltelemente einer Schaltanlage Beispiele für Motorstarterkombinationen Vorteile von umfassendem UL-Know-how Umfassendes Angebot für Schalt- und Steuerschränke UL-Produkte der Niederspannungs-Schalttechnik auf einen Blick

Tipps aus der Praxis für die Praxis / Funktionsbeispiele........................21 Zwangsgeführte Kontaktelemente und Spiegelkontakte......21A – 1-7 – Zwangsgeführte Kontaktelemente von Hilfsschützen und Spiegelkontakte von Leistungsschützen – Zwangsgeführte Kontaktelemente nach EN 60947-5-1, Anhang L – Spiegelkontakte nach EN 60947-4-1, Anhang F – Berufsgenossenschaften / SUVA – Typische Anwendungsbereiche – Funktionsbeispiele / Literaturverzeichnis

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Inhaltsverzeichnis Stern-Dreieck-Schalten von Drehstrommotoren.......................21B – 1-5 – Beschreibung der Funktionalität für Rechtslauf – Änderung der Drehrichtung von Rechts- auf Linkslauf

Verbraucherabzweige in sicherungsloser Bauweise................21C – 1-6 – Stern-Dreieck-Anlauf – Sanftanlauf mit Sanftstartern

Verbraucherabzweige als Sanftstarter.......................................21D – 1-4 Schaltgeräte in Kombination mit Frequenzumrichtern ...........21E – 1-5 – Schütze – Leistungsschalter – Thermische Überlastrelais

Einfluss langer Steuerleitungen auf Schütze .............................21F – 1-4 – Einfluss langer Steuerleitungen auf das Schaltverhalten von Schützen – Einschalten – Ausschalten

Automatische Drehrichtungskorrektur ......................................21G – 1-3 – Automatische Drehrichtungskorrektur durch intelligente Netzüberwachung

Überspannungsbedämpfung von Schützen.............................21H – 1-5 – – – – – –

Entstehung von Überspannungen Beschaltung mit RC-Gliedern Beschaltung mit Dioden Beschaltung mit einer Freilaufdiode Beschaltung mit einer Diodenkombination Diode/Zenerdiode Beschaltung mit Varistoren

Lampenschalten mit Schützen....................................................21I – 1-13 – – – – – – – – –

Schalten von Temperaturstrahlern Schalten von Gasentladungslampen Schalten von Leuchtstofflampen Schalten von Kompaktleuchtstofflampen Schalten von Hochdruck-Entladungslampen Schalten von Natriumdampf-Hochdrucklampen Schalten von Quecksilberdampf-Hochdrucklampen Schalten von Halogen-Metalldampflampen Schalten von Mischlichtlampen

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Inhaltsverzeichnis Temperaturverhalten im Schaltschrank ......................................21J – 1-8 – Temperaturverhalten von Niederspannungs-Schaltgeräten im Schaltschrank - Zulässige Oberflächentemperaturen von Niederspannungsschaltgeräten im Schaltschrank - Zulässige Temperaturen an berührbaren Teilen - Zulässige Temperaturen an den Anschlüssen - Betrachtung von Temperaturmessungen im Schaltschrank - Maßnahmen gegen Übertemperaturen an Geräten

Lastüberwachung von ohmschen Verbrauchern (Heizkreisen) in Drehstromschaltung.........................................21K – 1-9 – – – – –

Allgemeines Möglichkeiten zur Lastüberwachung Überwachung der Last mit Simocode Parametrierung mit der Software Simocode ES Geräteliste für Aufbauten mit Halbleiterschützen / -relais

Branchenapplikationen / Praxisbeispiele ....................................22 – 1-29 – Sanftstarter 3RW - Lüfter im Düsseldorfer Flughafen - Bugstrahlruder mit Drehmomentregelung - Pumpe für eine Kunstschneeanlage - Pumpe im Klärwerk - Oberflächenbelüfter in einer Biokläranlage - Kompressor für eine biologische Kläranlage - Siebschnecken-Zentrifuge - Rohrmantelpumpe in einem Klärwerk - Universal-Querstromzerspaner - Hydraulikpumpen auf Tankschiffen - Pumpen für eine hydraulische Stufenpresse - Kontaktband-Schleifmaschine - Großpressen in der Automobilindustrie - Ersatz für eine Turbokupplung in einer Pulvermühle

Mastertree für Systeme und Lösungen im Internet ...............23 – 1-120 – Industrielle Schalttechnik - AS-Interface / Master - AS-Interface / Slaves - Schaltgeräte mit integrierter AS-i Anschaltung - AS-Interface / Befehls- und Meldegeräte - ASIsafe - Sirius / Simatic Systembaukasten - Cage Clamp Anschluss

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- Schaltgeräte - Schutzgeräte - Motor-, Sanftstarter und Verbraucherabzweige - Komplette Verbraucherabzweige - Überwachungs- und Steuergeräte - Erfassungsgeräte - Befehls- und Meldegeräte - Transformatoren und Stromversorgungen – Niederspannungs-Energieverteilung - Sivacon / Sentron Programm - Multifunktionsmessgerät - Leistungsschalter - Lasttrenner - Typgeprüfte Niederspannungs-Schaltanlagen - Schienenverteiler-Systeme – Auf einen Blick: Leistungsspektrum Sirius - Sentron - Sivacon - Schalten - Schützen - Starten - Überwachen und Steuern - Erfassen - Befehlen und Melden - Versorgen - Parametrieren / Projektieren / Software - ASIsafe - AS-Interface / Master / Übergänge - AS-Interface / Slaves - AS-Interface / Zubehör - Verteilen / Starten - Schalten und Schützen - Power Management - Softwaretools - Service / Support

Elektrische Grundformeln / Kenngrößen / Einheiten ................24 – 1-22 – Elektrische Kenngrößen – Formelzeichen – Indizes – Grundformeln der Elektrotechnik – Formelzeichen und SI-Einheiten – Internationales Einheitensystem (SI) – Umrechnung internationaler, britischer und amerikanischer Einheiten – Temperatureinflüsse und Wärmeleitung

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Inhaltsverzeichnis Anschlussbezeichnungen / Schaltzeichen ..................................25 – 1-26 – Anschlussbezeichnungen – Schaltzeichen nach DIN, IEC, ANSI und BS – Kennzeichnung von Betriebsmitteln, Leitern und allgemeinen Funktionen

Fachbegriffe / Abkürzungen..........................................................26 – 1-97 – Fachbegriffe, kurz erläutert – Weitere Begriffe und Abkürzungen

Stichwortverzeichnis ......................................................................27 – 1-38

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Hinweis zur Gewährleistung und Haftung Für die in diesem Dokument enthaltenen Informationen übernehmen wir keine Gewähr. Unsere Haftung, gleich aus welchem Rechtsgrund, für durch die Verwendung der in diesem Dokument beschriebenen Beispiele, Hinweise, Projektierungs- und Leistungsdaten usw. verursachte Schäden ist ausgeschlossen, soweit nicht z. B. nach dem Produkthaftungsgesetz in Fällen des Vorsatzes, der groben Fahrlässigkeit, wegen der Verletzung des Lebens, des Körpers oder der Gesundheit, wegen einer Übernahme der Garantie für die Beschaffenheit einer Sache, wegen des arglistigen Verschweigens eines Mangels oder wegen Verletzung wesentlicher Vertragspflichten zwingend gehaftet wird. Der Schadensersatz wegen Verletzung wesentlicher Vertragspflichten ist jedoch auf den vertragstypischen, vorhersehbaren Schaden begrenzt, soweit nicht Vorsatz oder grobe Fahrlässigkeit vorliegt oder wegen der Verletzung des Lebens, des Körpers oder der Gesundheit zwingend gehaftet wird. Eine Änderung der Beweislast zu Ihrem Nachteil ist hiermit nicht verbunden. Außerdem wird empfohlen, den jeweils gültigen Stand der Normen sowie Publikationen heranzuziehen. ©Siemens AG, 2008 Weitergabe sowie Vervielfältigung, Verbreitung und/oder Bearbeitung dieses Dokumentes, Verwertung und Mitteilung seines Inhaltes sind verboten, soweit nicht ausdrücklich gestattet. Zuwiderhandlungen verpflichten zu Schadenersatz. Alle Rechte für den Fall der Patenterteilung, Gebrauchsmuster- oder Geschmacksmustereintragung vorbehalten. Alle Angaben wurden sorgfältig recherchiert und geprüft. Eine Haftung kann dennoch nicht übernommen werden.

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Hintergrund, Zielsetzung und Nutzung des Werks

"Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik"

Aufbau Das Werk "Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik" dient zur grundsätzlichen Vermittlung von technischen Grundlagen aus dem Bereich der Niederspannungs-Schalttechnik. Es besteht inhaltlich aus theoretischen Sachverhalten, aber auch aus praktischen Erkenntnissen, die letztendlich die Komplexität dieser Technik in einfache Worte fassen soll. Durch den ständigen Wandel und die unaufhaltsame Innovationskraft unserer Zeit und Technik – natürlich auch des Unternehmens Siemens – kann "Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik" lediglich eine Momentaufnahme darstellen und die Basis für das grundsätzliche Verständnis der Elektrotechnik bilden. Außerdem lässt sich in einem vernünftigen Rahmen, der für alle Leser noch überschaubar bleibt, lediglich grundlegendes bzw. punktuell fokussiertes Wissen vermitteln. Weil mittlerweile jeder Techniker mit dem Internet heute sehr vertraut ist, findet er ergänzend zu den grundlegenden Darstellungen in "Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik" Detailinformationen zu speziellen Themenschwerpunkten, Geräten und Lösungen zusätzlich im OnlineAuftritt von Siemens. Die dort einfach zu aktualisierenden Informationen stellen stets den neuesten Stand der Technik dar. Ein solches, mehrstufiges Konzept repräsentiert die moderne Form der Wissensvermittlung: übersichtlich und einfach aufgebaut erhält der Leser über "Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik" wertvolle Hinweise aus der Elektrotechnik. Als Ergänzung findet er spezifizierte Beschreibungen im Internet mit einem erheblich stärkeren Detaillierungsgrad, der in einem einzigen Werk überhaupt nicht möglich wäre.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

Inhaltsverzeichnis Ziel Die "Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik" sollen Elektrotechnikern, Elektrikern und Technikern aus allen Branchen und Bereichen das Verständnis vermitteln, wie einfach und überschaubar die Niederspannungs-Schalttechnik ist. Weiterhin hat dieses Werk zum Ziel, nicht nur den Experten im Beruf, sondern gerade auch den noch nicht von der Begeisterung dieser Technik erfassten Menschen eine wichtige Brücke zu bauen, nämlich Schülern, Praktikanten, Lehrlingen, Studenten und Vielen mehr. Immer mit dem Blick auf das Leistungsspektrum von Siemens, das mit seiner Durchgängigkeit besonders umfassend, transparent und stets praxisbezogen ist.

Vision Wie vieles andere lebt auch das Grundlagenwerk "Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik" von der Veränderung, Optimierung, Erweiterung. Tagtäglich arbeiten tausende von Siemens-Kollegen an der Verbesserung der Niederspannungs-Schalttechnik, an unseren Lösungen, und erfahren vieles über die Wünsche unserer Kunden. Deshalb ist es wichtig, dass diese Erkenntnisse in die "Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik" einfließen.

Wer also Anregungen, Ergänzungen oder Änderungsvorschläge zu "Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik" hat, sollte diese detailliert und entsprechend des bestehenden Aufbaus “zu Papier bringen” und dem Verantwortlichen ([email protected]) zur Verfügung stellen. Unterstützen Sie mit Ihrem Engagement Ihre Kollegen aus den Regionen, aus dem Vertrieb und den Marketing-Abteilungen. Denn unser gemeinsames Ziel lautet, der beste Partner unserer Kunden zu sein, um damit den wirtschaftlichen Erfolg von Siemens dauerhaft zu sichern.

Vielen Dank für Ihre kollegiale Mitarbeit!

Hans-Gert Zauscher I IA CD MM 2

Johann Bäuml I IA CD MM Ltg.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

Sie finden sämtliche Kapitel einzeln sowie als Komplettwerk

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

zum Download auch im Internet

auf dem Service & Supportportal unter

http://www.siemens.de/lowvoltage/grundlagen

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

1 – Niederspannungsnetze

Niederspannungsnetze Netzformen Einfaches Strahlennetz (Stichleitungsnetz) Die Energieversorgung sämtlicher Verbraucher erfolgt zentral, ausgehend von einer Einspeisequelle. Für jede Verbindungsleitung gibt es eine eindeutig definierbare Energieflussrichtung. Strahlennetz mit Umschaltreserve – Teillast: Die Energieversorgung sämtlicher Verbraucher erfolgt zentral, ausgehend von zwei bis n Einspeisequellen. Diese sind so bemessen, dass jede für sich in der Lage ist, die direkt an ihrer Hauptverteilung angeschlossenen Verbraucher zu versorgen (Inselbetrieb mit offenen Kuppelverbindungen). Bei Ausfall einer Einspeisequelle können die verbleibenden Einspeisequellen zusätzlich noch einen Teil der Verbraucher der anderen Einspeisequelle mitversorgen. Die übrigen Verbraucher müssen in diesem Fall abgeschaltet werden (Lastabwurf). Strahlennetz mit Umschaltreserve – Volllast: Die Energieversorgung sämtlicher Verbraucher erfolgt zentral, ausgehend von zwei bis n Einspeisequellen (Inselbetrieb mit offenen Kuppelverbindungen). Diese sind so bemessen, dass bei Ausfall einer Einspeisequelle die verbleibenden Einspeisequellen in der Lage sind, zusätzlich noch alle Verbraucher der anderen Einspeisequelle mitzuversorgen. Kein Verbraucher muss abgeschaltet werden. In diesem Fall spricht man von der Auslegung der Einspeisequellen nach dem (n-1)-Prinzip. Ab einer Anzahl von drei parallelen Einspeisequellen wäre auch die Anwendung anderer Prinzipien denkbar, z. B. des (n-2)-Prinzips. In diesem Fall werden die Einspeisequellen so bemessen, dass zwei von drei Transformatoren ausfallen können, ohne dass dies die Weiterversorung aller angeschlossenen Verbraucher beeinträchtigt. Strahlennetz im Netzverband Einzelne Strahlennetze, in denen die Versorgung der angeschlossenen Verbraucher zentral von einer Einspeisequelle aus erfolgt, sind zusätzlich über Kuppelverbindungen mit anderen Strahlennetzen elektrisch verbunden. Sämtliche Kuppelverbindungen sind im Normalbetrieb geschlossen. Je nach Auslegung der Einspeisequellen im Verhältnis zur angeschlossenen Gesamtlast, (n-1)-Prinzip, (n-2)-Prinzip usw., kann bei einem Versorgungsausfall die störungsfreie Weiterversorgung aller Verbraucher über die zusätzlichen Verbindungsstrecken gewährleistet werden. Die Energieflussrichtung über die Kuppelverbindungen kann je nach Versorgungsweg wechseln, was bei der Auslegung der Schalt-/Schutzgeräte und vor allem der späteren Schutzeinstellung zu beachten ist.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

1–1

1 – Niederspannungsnetze Strahlennetz mit Stromschienenverteilungen Bei dieser speziellen Form von Strahlennetzen, die im Netzverband betrieben werden, kommen anstelle der Kabelverbindungen Stromschienensysteme zum Einsatz. In den Kuppelverbindungen dienen diese Stromschienensysteme dem Energietransport (von Strahlennetz A zu Strahlennetz B usw.) oder der Energieverteilung zu den jeweiligen Verbrauchern.

Beispielhafte Bewertung abhängig von den Netzformen.

Netzsysteme nach Art der Erdverbindung – TN-C-, TN-C/S-, TN-S-, IT-, TT-Netze Der Einsatz von IT-Netzen kann nach Normen gefordert sein •

für Anlagenteile, an die besonders hohe Anforderungen an die Personen- und die Betriebssicherheit gestellt werden (z. B. in medizinisch genutzten Räumen wie OP-Saal, Intensivstation, Aufwachraum).

•

für Anlagen, die im Außenbereich aufgestellt und betrieben werden (z. B. im Bergbau, an Krananlagen, auf Müllumladestationen, in der Chemieindustrie).

•

Je nach Netzsystem und Netznennspannung gelten unterschiedliche Anforderungen in Bezug auf die einzuhaltenden Abschaltzeiten (Personenschutz gegen indirektes Berühren durch automatische Abschaltung).

•

Netze, in denen die elektromagnetische Beeinflussung eine wichtige Rolle spielt, sollten vorzugsweise direkt ab der Einspeisung als TN-SNetz aufgebaut werden. Vorhandene TN-C- oder TN-C/S-Netze lassen sich nachträglich nur mit verhältnismäßig hohem Aufwand EMVgerecht gestalten.

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Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

1 – Niederspannungsnetze

Beispielhafte Bewertung abhängig vom Netzsystem nach Art der Erdverbindung.

Hinweis: Stand der Technik für TN-Netze ist die EMV-gerechte Auslegung als TN-S-Netz.

Dimensionierung von Energieverteilungen Wenn das grundlegende Versorgungskonzept für eine elektrische Stromversorgungsanlage feststeht, ist eine Dimensionierung des elektrischen Netzes erforderlich. Unter Dimensionierung ist die Auslegung aller Betriebsmittel und Komponenten zu verstehen, die innerhalb des elektrischen Netzes zum Einsatz kommen sollen. Ziel der Dimensionierung ist es, für jeden einzelnen Stromkreis des elektrischen Netzes eine technisch zulässige Kombination aus Schalt-/ Schutzgeräten und Verbindungsstrecke zu erhalten.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

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1 – Niederspannungsnetze

Grundregeln/Normen für die prinzipielle Stromkreisdimensionierung.

Stromkreisübergreifende Dimensionierung Stimmt man die ausgewählten Netzkomponenten und Systeme aufeinander ab, lässt sich in Summe eine wirtschaftliche Gesamtanlage konzipieren. Diese stromkreisübergreifende Abstimmung der Netzkomponenten aufeinander ist jedoch beliebig komplex, da nachträgliche Veränderungen an einer einzelnen Komponente, z. B. einem Schalt-/Schutzgerät, Auswirkungen auf benachbarte, übergeordnete oder sämtliche nachgeordnete Netzabschnitte zur Folge haben können (hoher Prüfaufwand, hohes Planungsrisiko). Prinzipielle Vorgehensweise bei der Dimensionierung Je Stromkreis umfasst der Dimensionierungsvorgang die Auswahl von ein oder mehreren Schalt-/Schutzorganen, die am Anfang und/oder am Ende der Verbindungsstrecke zum Einsatz kommen sollen, sowie die Auswahl der Verbindungsstrecke (Kabel/Leitungen oder Stromschienenverbindung) in Anlehnung an die technischen Fähigkeiten der zugehörigen Schalt-/ Schutzgeräte. Speziell bei Einspeisestromkreisen kommt noch die Auslegung der Einspeisequellen hinzu. Je nach Stromkreisart ergeben sich verschiedene Dimensionierungsschwerpunkte. Das Schutzziel Überlast- und Kurzschlussschutz kann in Abhängigkeit vom Einbauort der Schutzeinrichtung erreicht werden. Geräte, die am Ende einer Verbindungsstrecke zum Einsatz kommen, können allenfalls den Überlastschutz für diese Strecke übernehmen, nicht jedoch den Kurzschlussschutz.

1–4

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

1 – Niederspannungsnetze Stromkreisarten Generell gelten die in der dargestellten Normenübersicht genannten Grundregeln/Normen zur Dimensionierung für alle Stromkreisarten. Darüber hinaus haben die jeweiligen Stromkreisarten spezielle Anforderungen, die im Folgenden näher erläutert werden.

Einspeisestromkreise An die Dimensionierung von Einspeisestromkreisen werden besonders hohe Anforderungen gestellt. Dies beginnt bereits mit der Auslegung der Einspeisequellen. Die Auslegung der Einspeisequellen richtet sich nach den zu erwartenden maximalen Belastungsströmen für das Gesamtnetz, der gewünschten Reserveleistung sowie dem geforderten Grad an Versorgungssicherheit für den Störungsfall (Überlastung/Kurzschluss). Die Bestimmung der Lastverhältnisse im Gesamtnetz erfolgt über die Energiebilanzierung. Reserveleistung und Betriebssicherheit im Bereich der Einspeisung werden üblicherweise durch Aufbau entsprechender Redundanzen realisiert, z. B. durch • Vorhaltung von zusätzlichen Einspeisequellen (Transformator, Generator, USV-Anlage), • Auslegung der Einspeisequellen nach dem Ausfallprinzip, n- oder (n-1)-Prinzip: Beim (n-1)-Prinzip sind zwei von drei Versorgungseinheiten prinzipiell in der Lage, bei Ausfall der kleinsten Stromversorgungsquellen die Gesamtlast des Netzes störungsfrei weiterzuversorgen, • Auslegung der Einspeisequellen, die temporär im Überlastbereich gefahren werden können (z. B. Verwendung von belüfteten Transformatoren).

Darstellung der verschiedenen Stromkreisarten.

Die Dimensionierung aller weiteren Komponenten eines Einspeisestromkreises orientiert sich unabhängig von den ermittelten Belastungsströmen an den Nenndaten der Versorgungsquellen, den konzipierten Netzbetriebsarten sowie den damit verbundenen Schaltzuständen im Bereich der Einspeisung.

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1 – Niederspannungsnetze Die Schalt-/Schutzgeräte und Verbindungsstrecken müssen grundsätzlich so gewählt werden, dass das geplante Leistungsmaximum übertragbar ist. Des Weiteren müssen je nach Schaltzuständen die unterschiedlichen min./max. Kurzschlussstromverhältnisse im Bereich der Einspeisung bestimmt werden.

Beachte: Bei der Auslegung der Verbindungsstrecken (Kabel oder Schiene) sind je nach Anzahl der parallel verlegten Systeme und der Verlegeart entsprechende Reduktionsfaktoren zu berücksichtigen. Bei der Auslegung der Geräte ist besonderes Augenmerk auf das Bemessungs-Kurzschlussauschaltvermögen zu richten. Ebenso ist auf die Wahl einer hochwertigen, flexibel einstellbaren Auslöseeinheit (Tripping Unit) zu achten, da dies eine wichtige Grundlage zur Erlangung bestmöglicher Selektivität zu allen vor- und nachgeordneten Geräten ist.

Verteilerstromkreis Die Dimensionierung der Kabelstrecken und der Geräte richtet sich nach den zu erwartenden maximalen Belastungsströmen, die über diese Verteilebene fließen können. In der Regel gilt: Ib max = Σ installierte Verbraucherleistung x Gleichzeitigkeitsfaktor Schalt-/Schutzgerät und Verbindungsstrecke sind in Bezug auf Überlastund Kurzschlussschutz aufeinander abzustimmen. Für die Gewährleistung des Überlastschutzes ist unter anderem auf die normierten Prüfströme des eingesetzten Geräts zu achten.

Beachte: Eine Überprüfung allein auf Basis des Gerätenennstroms oder des Einstellwerts Ir ist nicht ausreichend. Grundregeln zur Gewährleistung des Überlastschutzes Bemessungsstromregel •

nicht einstellbare Schutzeinrichtungen Ib ≤ In ≤ Iz Der Nennstrom In des gewählten Geräts muss sich zwischen dem ermittelten max. Belastungsstrom Ib und dem max. zulässigen Belastungsstrom Iz des gewählten Übertragungsmediums (Kabel oder Schiene) bewegen.

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Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

1 – Niederspannungsnetze •

einstellbare Schutzeinrichtungen Ib ≤ Ir ≤ Iz Der Einstellwert des Überlastauslösers Ir des gewählten Geräts muss sich zwischen dem ermittelten max. Belastungsstrom Ib und dem max. zulässigen Belastungsstrom Iz des gewählten Übertragungsmediums (Kabel oder Stromschiene) bewegen.

Auslösestromregel I2 ≤ 1,45 • Iz Der max. zulässige Belastungsstrom Iz des gewählten Übertragungsmediums (Kabel oder Stromschiene) muss sich oberhalb des Prüfstroms I2 /1,45 des gewählten Geräts bewegen. Der Prüfwert I2 ist normiert und variiert je nach Typ und Charakteristik der verwendeten Schutzeinrichtung.

Grundregeln zur Gewährleistung des Kurzschlussschutzes Kurzschlussenergie K2S2 ≥ I2t (K = Materialbeiwert; S = Querschnitt) Die Energie, die bei Auftreten eines Kurzschlusses bis zur automatischen Abschaltung frei wird, muss zu jedem Zeitpunkt kleiner sein als die Energie, die das Übertragungsmedium maximal führen kann, bevor es zu irreparablen Schäden kommt. Laut Norm gilt diese Grundregel im Zeitbereich bis max. 5 s. Unter 100 ms Kurzschlussabschaltzeit muss die Durchlassenergie des Schutzgeräts (lt. Angaben des Geräteherstellers) berücksichtigt werden. Bei Einsatz von Geräten mit Auslöseeinheit ist die Einhaltung dieser Grundregel über den gesamten Gerätekennlinienverlauf zu überprüfen. Eine alleinige Überprüfung im Bereich des maximalen Kurzschlussstroms (Ik max) ist vor allem bei Verwendung von zeitverzögerten Auslösern nicht immer ausreichend.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

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1 – Niederspannungsnetze Kurzschlusszeit ta (Ik min) ≤ 5 s Die resultierende Abschaltzeit der gewählten Schutzeinrichtung muss den berechneten kleinsten Kurzschlussstrom Ik min am Ende der Übertragungsbzw. Schutzstrecke in spätestens 5 s automatisch abschalten können. Überlast- und Kurzschlussschutz müssen dabei nicht zwangsläufig von ein und demselben Gerät wahrgenommen werden. Die beiden Schutzziele können bei Bedarf auch von einer Gerätekombination übernommen werden. Ebenso ist auch der Einsatz von separaten Schalt-/Schutzgeräten denkbar, die jeweils am Anfang und am Ende einer Kabelstrecke zum Einsatz kommen. Geräte, die am Ende einer Kabelstrecke eingesetzt werden, konnen für diese Verbindungsstrecke generell nur den Überlastschutz übernehmen. Endstromkreise Das Verfahren zur Koordination von Überlast- und Kurzschlussschutz ist für Verteiler- und Endstromkreise prinzipiell identisch. Neben dem Überlast- und dem Kurzschlussschutz ist des Weiteren auch die Einhaltung des Personenschutzes für alle Stromkreise von Bedeutung. Schutz gegen elektrischen Schlag ta (Ik1 min) ≤ ta zul Bei Auftreten eines 1-poligen Fehlers gegen Erde (Ik1 min) muss die resultierende Abschaltzeit ta der gewählten Schutzeinrichtung kleiner sein als die maximal zulässige Abschaltzeit ta zul, die laut Norm IEC 60364-4-41 / DIN VDE 0100-410 zur Einhaltung des Personenschutzes für diesen Stromkreis gefordert wird. Da die geforderte maximale Abschaltzeit je nach Nennspannung des Netzes und nach Art der angeschlossenen Verbraucher variiert (ortsfeste und ortsveränderliche Verbraucher), können sich die Schutzanforderungen bzgl. Mindestabschaltzeit ta zul von einem Verbraucherstromkreis auf andere Stromkreise übertragen. Alternativ kann dieses Schutzziel auch durch Einhaltung einer maximalen Berührungsspannung erreicht werden. Da Endstromkreise häufig von langen Zuleitungswegen geprägt sind, wird ihre Dimensionierung häufig durch den maximal zulässigen Spannungsfall beeinflusst. In Bezug auf die einzusetzenden Schalt-/Schutzgeräte ist darauf zu achten, dass lange Verbindungsstrecken hohe Impedanzen und damit eine starke Dämpfung der berechneten Kurzschlussströme mit sich bringen.

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Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

1 – Niederspannungsnetze Je nach Netzbetriebsfahrweise (Kupplung offen, Kupplung zu) und Einspeisemedium (Transformator oder Generator) müssen die Schutzeinrichtungen und deren Schutzeinstellung für den schlechtesten Fall in Bezug auf die Kurzschlussströme ausgerichtet werden. Im Gegensatz zu Einspeise- oder Verteilerstromkreisen, wo auf die Wahl einer hochwertigen Auslöseeinheit großer Wert gelegt wird, werden an die Schutzeinrichtungen in Endstromkreisen keine besonderen Ansprüche in Bezug auf die angestrebte Selektivität gestellt. Hier genügt prinzipiell der Einsatz einer Auslöseeinheit mit LI-Charakteristik. Dimensionierung per Software Der Dimensionierungsvorgang an und für sich ist leicht verständlich und mit einfachen Mitteln durchführbar. Die Komplexität liegt in der Beschaffung der erforderlichen technischen Daten der eingesetzten Produkte und Systeme, die einerseits in verschiedenen Normen und Vorschriften und andererseits in verschiedenen Produktkatalogen zu finden sind. Ein wesentlicher Aspekt ist die stromkreisübergreifende Beeinflussung der dimensionierten Komponenten aufgrund ihrer technischen Daten, beispielsweise die erwähnte Vererbung von Mindestabschaltzeiten eines ortsveränderlichen Verbraucherstromkreises auf ortsfeste Verbraucherstromkreise oder Verteilerstromkreise. Ein weiterer Aspekt liegt in der wechselseitigen Beeinflussung von Dimensionierung Netzberechnung (Kurzschluss), z. B. bei Einsatz von Geräten, die den Kurzschlussstrom begrenzen. Weitere

I N F O S

Die Komplexität steigt zudem, wenn länderabhängig verschiedene Normen und Errichtergewohnheiten bei der Dimensionierung berücksichtigt werden sollen. Aus Gründen der Risikominimierung und der Zeitersparnis verwenden etliche Planungs- und Ingenieurbüros zur Durchführung von Dimensionierungs- und Überprüfungsvorgängen in elektrischen Netzen generell technisch hochwertige Berechnungsprogramme wie SIMARIS design von Siemens.

www.siemens.de/simarisdesign

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

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Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

2 – Netzdaten und Betriebsarten

Netzdaten und Betriebsarten Netzdaten Zu den wichtigsten Daten eines Netzes gehören die Nennspannung und die Netzfrequenz sowie das Kurzschlussverhalten. Diese werden als Nennwerte angegeben. Bei Niederspannungs-Schaltgeräten werden die früher angegebenen Nenndaten entsprechend DIN EN 60947 (VDE 0660) zu Bemessungsdaten. Hauptstromkreise Im Bereich der Niederspannung ist in der Norm IEC 38 als wesentlichste Vereinheitlichung hervorzuheben, dass die Spannungswerte 220/380 V und 240/415 V für Drehstromnetze der elektrischen Energieversorgung durch einen einzigen, weltweit genormten Einheitswert 230/400 V ersetzt worden sind. Die Norm DIN 40005 Nennfrequenzen von 16 2/3 bis 10.000 Hz enthält die Bestimmungen für die Nennfrequenzen. Zur Energieversorgung ist hierin nur die Frequenz 50 Hz vorgesehen. Mit dieser Frequenz werden nicht nur die europäischen, sondern auch die von der europäischen Technik beeinflussten Stromversorgungsnetze betrieben. Nur in den USA und Kanada sowie in den von der USA-Technik beeinflussten Ländern Mittelamerikas und zum Teil in Südamerika wie Kolumbien, Venezuela und Brasilien sowie in Japan wird eine Nennfrequenz von 60 Hz verwendet. Im europäischen Bahnbetrieb beträgt die Nennfrequenz im allgemeinen 16 2/3 Hz, soweit mit Wechselstrom gefahren wird. Höhere Frequenzen sieht man im Rahmen industrieller Anwendungen in einigen Industriezweigen nur für Antriebsmotoren vor, z. B. schnelllaufende Motoren in der Textilindustrie (100 Hz bis 120 Hz) oder in der Holzbearbeitungsbranche (bis 300 Hz). Für einige Anlagen ist eine Frequenz von 400 Hz festgelegt.

Hilfsstromkreise Die Vorzugswerte der Nennspannung für Hilfsstromkreise, soweit sie von der Spannung des Hauptstromkreises abweichen, sind aus der entsprechenden Tabelle ersichtlich.

Vorzugswerte der Nennspannungen für Hilfsstromkreise nach DIN EN 60947-2 (VDE 0660 Teil 101).

Gleichspannung V 24 48 110 125 220 250

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

Wechselspannung V 24 48 110 127 220 230 -

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2 – Netzdaten und Betriebsarten

Haupt- und Hilfsstromkreis eines Motorstromkreises bei Tasterbetätigung.

Betriebsspannungen In DIN VDE 0100 Teil 725 wird auf DIN IEC 38 mit der Empfehlung verwiesen, Betriebsmittel, die üblicherweise während des Betriebs mit der Hand gehalten oder umfasst werden, mit Spannungen bis maximal 230 V Nennspannung zu betreiben. Als Maximalwert ist in DIN EN 60204-1 (VDE 0113 Teil 1) 250 V angegeben, wenn der Steuerstromkreis von einem Trenntransformator gespeist wird. Weltweit gibt es hier unterschiedliche Vorzugswerte. Allerdings bietet eine Wechselspannung von 230 V gegenüber niedrigeren Spannungen folgende Vorteile: • höhere Kontaktsicherheit • geringerer Spannungsabfall • kleinere Leitungsquerschnitte

Beachte: Nach DIN VDE 0100 Teil 725 müssen Hilfsstromkreise so ausgelegt werden, dass Abweichungen der Betriebsspannung am Betriebsmittel von -15 % bis +10 % von der Bemessungsspannung des Betriebsmittels die Funktionsfähigkeit nicht beeinträchtigen.

2–2

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

2 – Netzdaten und Betriebsarten Nach DIN EN 60947 (VDE 0660) und IEC 947 müssen Steuerstromkreise mit allen ihren Funktionsgliedern so gebaut sein, dass sie ihre Funktion innerhalb der Spannungsgrenzen sicher erfüllen. Geräte

Kraftantriebe von Schaltern Schütze

Betätigung Betätigungsspannung als Vielfaches der Bemessungssteuerspannung Untere Grenze Schließen 0,85 • US 0,85 • US Öffnen

Betätigungsspannung als Vielfaches der Bemessungssteuerspannung Obere Grenze 1,1 • US 1,1 • US

Schließen Öffnen

0,85 • US 0,20 • US AC 0,10 • US DC

1,1 • US 0,75 • US

0,7 • US

1,1 • US

Leistungsschalter mit Öffnen Spannungsauslöser

Toleranzgrenzen der Betriebsspannung für allgemeine Anwendungen nach DIN EN 60947 (VDE 0660): In Bahn- und Bergbauanlagen gelten andere Werte.

Nach DIN VDE 0100 Teil 725 dürfen Hilfsstromkreise mit den Hauptstromkreisen direkt oder über Transformatoren mit getrennten Wicklungen verbunden oder von den Hauptstromkreisen unabhängig sein. Bei Hilfsstromkreisen mit direkter Verbindung zum Hauptstromkreis muss im geerdeten Netz die Spannung zwischen einem Außenleiter und dem Neutralleiter abgenommen werden.

Beachte: Bei ungeerdetem Netz müssen alle Schaltglieder zweipolig ausgeführt werden.

TIPP: Transformatoren zur Versorgung von Hilfsstromkreisen sollen vorzugsweise zwischen Außenleitern angeschlossen werden. Diese Potentialtrennung empfiehlt sich bei Hilfsstromkreisen, die überwiegend aus elektronischen Betriebsmitteln oder Systemen bestehen. DIN EN 60204-1 (VDE 0113 Teil 1 - Elektrische Ausrüstung von Maschinen) schreibt zur Versorgung der Steuerstromkreise von Maschinen ab einer Bemessungsleistung von 3 kW Transformatoren vor. In diesem Fall darf die Nennspannung des Steuerstromkreises 250 V nicht übersteigen.

Beachte: DIN EN 60204-1 (VDE 0113 Teil 1) lässt bei Gleichspannungsversorgungen durch Batterien einen Spannungsbereich von 0,85 bis 1,15 der Nennspannung zu, bei Fahrzeugen sogar 0,7 bis 1,2 der Nennspannung.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

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2 – Netzdaten und Betriebsarten Kurzschlussstrom Größtmöglicher (prospektiver) Kurzschlussstrom Der an der Einbaustelle auftretende, unbeeinflusste, größtmögliche (prospektive) Kurzschlussstrom ist maßgebend für die Auswahl der Schaltgeräte und Verteiler nach • Kurzschlussfestigkeit • Schaltvermögen und • Backup-Schutz (falls erforderlich). Der an beliebiger Stelle zwischen einer Phase und einem Schutzleiter mit vernachlässigbarer Impedanz auftretende Kurzschlussstrom ist maßgebend für die Schutzmaßnahmen bei indirektem Berühren nach DIN VDE 0100 Teil 470. Der Kurzschlussstrom ist behandelt in den VDE-Leitsätzen für die Berechnung der Kurzschlussströme in Drehstromnetzen mit Nennspannungen bis 1.000 V gemäß DIN VDE 0102. Im ungestörten Zustand fließt der Nennbetriebsstrom Ie. Er ist bestimmt durch die Netzspannung U und die Summe der Impedanzen des Netzes ZL und der Last Z. Bei Kurzschluss entfällt die entscheidende Lastimpedanz Z. Der Kurzschlussstrom ist daher neben der netzspannung U nur abhängig von der Netzimpedanz ZL und dem Widerstand der Kurzschlussstelle. Dieser Widerstand (z. B. des Lichtbogens) kann den Kurzschlussstrom erheblich dämpfen, wird jedoch bei Kurzschlussberechnungen im Allgemeinen nicht berücksichtigt.

Nennbetriebs- und Dauerkurzschlussstrom

Nennbetriebsstrom Ie

Dauerkurzschlussstrom Ik

a) Ungestörter Betrieb

b) Durch Kurzschluss gestörter Betrieb

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Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

2 – Netzdaten und Betriebsarten Ausgleichsvorgang Bei einem Kurzschluss geht das Netz vom Betriebs- in den Kurzschlusszustand über. Abgesehen von dem Sonderfall, dass der Kurzschlussstrom gerade bei Stromnulldurchgang beginnt, geschieht dieser Übergang wie jedes Einschalten über einen Ausgleichsvorgang.

Verlauf des Kurzschlusswechselstroms bei generatorfernem Kurzschluss nach DIN VDE 0102. iDC Abklingende Gleichstromkomponente des Kurzschlussstroms Ik’’ Anfangs-Kurzschlusswechselstrom ip Stoßkurzschlussstrom Ik Dauerkurzschlussstrom A Anfangswert der Gleichstromkomponente iDC τ Zeitkonstante der Gleichstromkomponente iDC

Dem symmetrischen Wechselstrom überlagert sich ein Gleichstromglied iDC. Im Einschaltaugenblick ist das Gleichstromglied iDC gleich dem Augenblickswert des Wechselstroms, aber von entgegengesetzter Polarität. Das Gleichstromglied iDC klingt nach einer Exponentialfunktion mit der Zeitkonstanten τ = L/R ab.

Zeitkonstante τ des Gleichstromglieds in Abhängigkeit vom cos ϕ des Stromkreises. Die Werte gelten für 50 Hz.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

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2 – Netzdaten und Betriebsarten Bei Kurzschlussstromberechnungen sind von Bedeutung: • Anfangs-Kurzschlusswechselstrom Ik’’ Dies ist der Effektivwert des Kurzschlusswechselstroms im Augenblick des Kurzschlusseintritts. Bei generatorfernem Kurzschluss, der im Niederspannungsnetz im Allgemeinen in Betracht kommt, ist der Kurzschlusswechselstrom Ik’’ während der gesamten Kurzschlussdauer nahezu konstant und damit gleich dem Dauerkurzschlussstrom Ik. Damit ist Ik’’ ≈ Ik. Zum Vergleich ist bei dem generatornahen Kurzschluss der abklingende Anfangs-Kurzschlusswechselstrom Ik’’ größer als der Dauerkurzschlussstrom Ik. Zur Berechnung des Anfangs-Kurzschlusswechselstroms Ik’’ sind außer den wirksamen Netzimpedanzen die Anfangsreaktanzen Xd’’ (subtransiente Längsreaktanzen der Synchronmaschine) maßgebend.

Verlauf des Kurzschlusswechselstroms bei generatornahem Kurzschluss nach DIN VDE 0102. iDC Abklingende Gleichstromkomponente des Kurzschlussstroms Ik’’ Anfangs-Kurzschlusswechselstrom ip Stoßkurzschlussstrom Ik Dauerkurzschlussstrom A Anfangswert der Gleichstromkomponente iDC τ Zeitkonstante der Gleichstromkomponente iDC

•

Stoßkurzschlussstrom ip als höchster Stromscheitelwert Er ist zu erwarten, wenn der Kurzschlussstrom im Spannungsnulldurchgang beginnt. Näherungsgleichung: ip = χ • √2 • Ik’’ χ = 1,02 + 0,98 • e-3 • R/X Der Faktor χ ist dabei das Verhältnis des Stoßkurzschlussstroms ip zum Scheitelwert des stationären Dauerkurzschlussstroms √2 • Ik . Er ist abhängig vom Verhältnis Wirkwiderstand zu Blindwiderstand R/X, d. h. vom cos ϕ des Kurzschlussstromkreises.

2–6

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

2 – Netzdaten und Betriebsarten Leistungsfaktor cos ϕ im Kurzschlussstromkreis In Niederspannungsanlagen hängt der Leistungsfaktor cos ϕ des Kurzschlussstromkreises vorwiegend vom Blindwiderstand (Reaktanz) des Einspeisetransformators ab. Je größer dessen Leistung ist, um so größer ist der induktive Anteil seines Widerstands und um so kleiner ist der Leistungsfaktor cos ϕ. Dieser Zusammenhang wird in DIN EN 60947-2 (VDE 0660 Teil 101) bzw. IEC 947-2 berücksichtigt. Hier wird für Wechselstrom-Leistungsschalter, abhängig vom Leistungsfaktor cos ϕ, ein Mindestwert für das Bemessungskurzschlusseinschaltvermögen als Vielfaches des Bemessungskurzschlussausschaltvermögens (Icm = n • Icn) angegeben.

Kurzschlussarten In einem Drehstromnetz können Kurzschlüsse zwischen drei Außenleitern, zwei Außenleitern oder zwischen einem Außenleiter und dem N-Leiter oder Erde auftreten.

Hinweis: Der höchste Strom tritt bei dreipoligem sowie einpoligem Kurzschluss unmittelbar an den niederspannungsseitigen Klemmen des Transformators auf, wenn der Transformator die einzige Speisequelle für den Kurzschluss ist. Kurzschlussart

Kurzschluss an den Transformatorklemmen Kurzschlusstrom

Verhältnis

Kurzschluss in den Kabel- bzw. Leitungszügen Kurzschlussstrom

Verhältnis

dreipolig

zweipolig

einpolig (Erdschluss)

Kurzschlussarten und Höhe ihrer Kurzschlusswechselströme im Drehstromnetz: U verkettete Spannung Z Impedanzen (Wirk- und Blindwiderstand) eines Außenleiters ZN Impedanzen des N-Leiters

Beitrag von angeschlossenen Motoren zum Kurzschlussstrom Bei der Ermittlung des Kurzschlussstroms ist nach DIN VDE 0102 der Anteil zu berücksichtigen, der von Motoren beigetragen wird.

TIPP: Synchronmotoren und Synchron-Phasenschieber werden hierbei wie Generatoren behandelt.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

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2 – Netzdaten und Betriebsarten Der Beitrag von Asynchronmotoren mit Nennspannungen bis 1.000 V darf vernachlässigt werden, wenn der Summenbemessungsstrom ΣIrM der Motorengruppe kleiner als 1 % des dreipoligen Anfangs-Kurzschlusswechselstroms Ik3’’ ohne Motoren ist. Motoren, die nach Art der Schaltung (Verriegelung) oder des Prozesses (Reversierantriebe) nicht eingeschaltet sind, bleiben unberücksichtigt. Wirkungen des Kurzschlussstroms Der Kurzschlussstrom übt eine dynamische und thermische Beanspruchung auf die Anlagenkomponenten aus. Die Bemessung von Starkstromanlagen auf mechanische und thermische Kurzschlussfestigkeit ist der Bestimmung DIN EN 60865-1 (VDE 0103) zu entnehmen. Dynamische Wirkung Zwei parallele Leiter ziehen sich an oder stoßen sich ab, je nachdem, ob sie gleichsinnig oder in entgegengesetzter Richtung vom Strom durchflossen werden. Die Kraft F zwischen zwei langen, parallelen biegesteifen Stromleitern entspricht in erster Näherung der Beziehung: F = 0,2 i1 • i2 l/a

F Kraft in N i1, i2 Augenblickswerte der Leiterströme in kA l Stützabstand einer Schiene (Länge der Leiter) in mm a Mittenabstand der Leiter (Schienen) in mm

Für die Kraft F des Stoßkurzschlussstroms ip2, abhängig vom Leiterabstand as, gilt bei einem zweipoligen Kurzschluss für parallele biegesteife Teilleiter (mehrere Schienen) pro Phase: F = 0,2 • (ip2 / n)2 • l/as

F ip l n aS

Kraft auf Teilleiter in N Kurzschlussstrom (in Drehstromanlagen ip3) in kA Abstand der Zwischenstücke in mm Anzahl Teilleiter wirksamer Teilleiterabstand in mm Kraftwirkung F des Kurzschlussstroms auf parallele Leiter (übertrieben dargestellt).

a) In gleicher Richtung fließende Ströme; die Leiter ziehen sich an.

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b) Entgegengesetzt fließende Ströme; die Leiter stoßen sich ab.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

2 – Netzdaten und Betriebsarten Der wirksame Teilleiterabstand aS ist bei einem Leiter pro Phase gleich dem Leiterabstand a. Bei mehreren Schienen pro Phase ist aS nicht gleich a, sondern abhängig von • Schienenquerschnitt (Breite/Dicke) • Schienenzahl • Schienenform

TIPP: Entsprechende Werte für aS von Rechteck-Schienen können aus DIN EN 60865-1 entnommen werden oder müssen evtl. berechnet werden.

Hinweis: In Drehstromkreisen trifft bei dreipoligem Kurzschluss die größte Beanspruchung unter bestimmten Bedingungen den mittleren Leiter. In Wechselstromkreisen verläuft der Strom zeitlich entsprechend einer Sinuskurve. Die Größe der Kraft ändert sich daher mit dem Quadrat der Sinuskurve. Dauert der Kurzschlussstrom länger als eine halbe Periode (10 ms bei 50 Hz), so werden die Leiter mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt, deren Frequenz der doppelten Netzfrequenz entspricht.

Der Wechselstrom i verursacht eine mit doppelter Stromfrequenz pulsierende Kraft F.

Thermische Wirkung: Kurzschlussströme erwärmen die Leiter sehr stark. Diese Erwärmung hängt vom Quadrat des Effektivwerts von Ik und von dessen Dauer ab (Ik2 • t-Wert).

Diagramme zur Widerstands- und Kurzschlussstrombestimmung Der dreipolige Kurzschlussstrom an der Geräte-Einbaustelle kann überschlägig unter Verwendung der nachfolgenden Diagramme ermittelt werden. Eine exakte Berechnung kann über entsprechende Computerprogramme erfolgen.

Beachte: Bei der überschlägigen Ermittlung des Anfangs-Kurzschlusswechselstroms Ik’’ gelten folgende Vorbedingungen: Speisung des Netzes nur über Transformatoren sowie gleichbleibende Primärspannung am Transformator.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

2–9

2 – Netzdaten und Betriebsarten Die Blindwiderstände X und Wirkwiderstände R sind für unterschiedliche Querschnitte der Freileitungen und Kabel aus den Diagrammen abzulesen. Dies gilt auch für die Wirkwiderstände RT und Blindwiderstände XT entsprechend den einzelnen Streuspannungen ux der Transformatoren. Die Streuspannung ergibt sich aus: ux = √ (ukr2 - uRr2)

ux ukr uRr

Streuspannung des Transformators in % Kurzschlussspannung des Transformators in % Ohmscher Spannungsfall des Transformators in %

Aus den Diagrammen lässt sich somit der Effektivwert des AnfangsKurzschlusswechselstroms Ik’’ , abhängig von der geometrischen Summe der Blindund Wirkwiderstände, ermitteln. Die ermittelten Werte enthalten jeweils einen mehr oder minder großen Sicherheitsfaktor, da die Diagramme die dämpfende Wirkung von Übergangswiderständen, Stromschleifen und Stromverdrängung nicht berücksichtigen. Die Gesamtwiderstände der Kurzschlussstrombahn ergeben sich aus der arithmetischen Summe der Einzelwiderstände.

Hinweis: Bei 230-V-Netzen verschieben sich die Wirk- und Blindwiderstände im entsprechenden Diagramm um etwa 9 % nach oben. Bei 400-V-Netzen verschieben sich die Wirk- und Blindwiderstände im entsprechenden Diagramm um etwa 10 % nach oben.

Unter Verwendung der ermittelten gesamten Wirk- und Blindwiderstände ist der Kurzschlussstrom aus dem entsprechenden Diagramm abzulesen. Der Schnittpunkt des Wirkwiderstands- und Blindwiderstandswerts ergibt die Größe des AnfangsKurzschlusswechselstroms Ik’’. Liegt dieser Schnittpunkt zwischen den eingezeichneten Kurven, so erhält man durch Interpolation den tatsächlichen AnfangsKurzschlusswechselstrom Ik’’.

2 – 10

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

Wirk- und Blindwiderstände von Freileitungen und Kabeln (Mittelwerte für dreiadrige Kabel mit Kupferleitern) (Bei Aluminiumleitungen sind die aus dem Diagramm entnommenen Werte des Wirkwiderstands mit dem Faktor 1,7 zu multiplizieren.) R (Wirkwiderstand bei 20°C), XF (Blindwiderstand von Freileitungen), XK (Blindwiderstand von Kabeln), Wirk- und Blindwiderstände von Transformatoren RT (Wirkwiderstand), XT (Blindwiderstand)

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

2 – 11

Nomogramme zum Ermitteln des Kurzschlussstroms in 230-V-Netzen

Anfangs-Kurzschlusswechselstrom Ik’’ (Effektivwert) in Abhängigkeit vom Gesamtwiderstand der Kurzschlussstrombahn. R Wirkwiderstand X Blindwiderstand

2 – Netzdaten und Betriebsarten

Anfangs-Kurzschlusswechselstrom Ik’’ (Effektivwert) in Abhängigkeit vom Gesamtwiderstand der Kurzschlussstrombahn. R Wirkwiderstand X Blindwiderstand

Nomogramme zum Ermitteln des Kurzschlussstroms in 400-V-Netzen R (Wirkwiderstand bei 20°C), XF (Blindwiderstand von Freileitungen), XK (Blindwiderstand von Kabeln),

2 – 12 Wirk- und Blindwiderstände von Transformatoren RT (Wirkwiderstand), XT (Blindwiderstand)

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

Wirk- und Blindwiderstände von Freileitungen und Kabeln (Mittelwerte für dreiadrige Kabel mit Kupferleitern) (Bei Aluminiumleitungen sind die aus dem Diagramm entnommenen Werte des Wirkwiderstands mit dem Faktor 1,7 zu multiplizieren.)

2 – Netzdaten und Betriebsarten

Wirk- und Blindwiderstände von Freileitungen und Kabeln (Bei Aluminiumleitungen sind die aus dem Diagramm entnommenen Werte des Wirkwiderstands mit dem Faktor 1,7 zu multiplizieren.) R (Wirkwiderstand bei 20°C), XF (Blindwiderstand von Freileitungen), XK (Blindwiderstand von Kabeln), Wirk- und Blindwiderstände von Transformatoren RT (Wirkwiderstand), XT (Blindwiderstand)

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

2 – 13

Nomogramme zum Ermitteln des Kurzschlussstroms in 500-V-Netzen

Anfangs-Kurzschlusswechselstrom Ik’’ (Effektivwert) in Abhängigkeit vom Gesamtwiderstand der Kurzschlussstrombahn. R Wirkwiderstand X Blindwiderstand

2 – Netzdaten und Betriebsarten

2 – Netzdaten und Betriebsarten Einfluss der Transformatoren und Leitungen auf den Kurzschlussstrom Die Höhe des Kurzschlussstroms hängt bei gegebener Betriebsspannung von den Widerständen ab, die im Strompfad vom Generator bzw. Transformator bis zur Kurzschlussstelle liegen. Im Niederspannungsnetz ist hierfür die Leistung und die Kurzschlussspannung des Einspeisetransformators sowie der Widerstand der verlegten Kabel und Leitungen entscheidend. Zusätzlich liegen noch ohmsche und induktive Widerstände im Leitungszug, wie Übergangswiderstände und induktive Beeinflussungen durch benachbarte Eisenkonstruktionen, die der Berechnung nicht oder nur schwer zugänglich sind. Anfangs-Kurzschlusswechselstrom Ik’’ von Transformatoren (400 V, 50 Hz).

Anfangs-Kurzschlusswechselstrom ik’’

Bemessungsstrom In Bemessungsleistung SnT

Das Bild zeigt die Abhängigkeit des Kurzschlussstroms Ik’’ von der Leistung SnT und Kurzschlussspannung ukr der Transformatoren bei gegebener Nennspannung. Diese Kurzschlussströme sind nur bei einem dreipoligen satten Kurzschluss unmittelbar an den niederspannungsseitigen Klemmen zu erwarten. Dies ist jedoch eher ein unwahrscheinlicher Störungsfall, der niederspannungsseitig auch durch keine Schutzmaßnahme verhindert werden kann. Das Bild zeigt auch, dass die Kurzschlussströme von gebräuchlichen Transformatoren in der Praxis nicht so hoch sind, wie allgemein angenommen.

Die Leitung hat einen erheblichen, dämpfenden Einfluss auf die Höhe des Kurzschlussstroms. Da der Kurzschlussstrom bei Kurzschluss an den Sekundärklemmen des Transformators abhängig ist von der Bemessungsleistung, dem Bemessungswert der Kurzschlussspannung und der Bemessungsspannung auf der Niederspannungsseite des Transformators, ist er zusätzlich bei einem entfernten Kurzschluss abhängig von Leiterquerschnitt und -länge.

Hinweis: Die Kurzschlussdämpfung ist also um so wirkungsvoller, je kleiner die Bemessungsleistung und die Bemessungsspannung auf der Niederspannungsseite und je größer der Bemessungswert der Kurzschlussspannung des Transformators ist. Sie ist aber ebenfalls um so stärker, je kleiner der Leiterquerschnitt und je größer die Leiterlänge ist.

2 – 14

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

2 – Netzdaten und Betriebsarten AnfangsKurzschlusswechselstrom Ik’’ in Abhängigkeit von Leiterlänge l und Leiterquerschnitt q.

Anfangs-Kurzschlusswechselstrom Ik’’

Beispiel: Tritt ein Kurzschluss in 10 m Entfernung vom Transformator auf, und ist die Kurzschlussstelle mit dem Transformator durch eine Leitung mit einem Leiterquerschnitt von 10 mm2 Cu verbunden, so wird der Kurzschlussstrom von 48,2 kA (Klemmenkurzschluss) auf 10 kA gedämpft. Bei einer Leitung mit einem Leiterquerschnitt von 25 mm2 Cu ist dies erst nach etwa 25 m der Fall.

3W...

3W...

3W...

3W...

3V...

3V...

3V...

a) Einspeisung über einen Transformator

3R...

b) Einspeisung über drei Transformatoren

Dämpfung des Kurzschlussstroms durch die Kabel und Leitungen der Verteiler bei einem bzw. bei drei parallel einspeisenden Leistungstransformatoren.

Kleinster Kurzschlussstrom Für die Schutzmaßnahme Schutz durch Abschaltung, z. B. im TN-System ist es erforderlich, den kleinsten Kurzschlussstrom bei einem Kurzschluss zwischen einem Außenleiter und dem PEN-Leiter am Ende der Leitung zu ermitteln. Hierbei ist festzustellen, ob die automatische Abschaltung durch die Schutzeinrichtung bei diesem Kurzschlussstrom innerhalb der festgelegten Zeit erfolgt.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

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2 – Netzdaten und Betriebsarten Für die Verbraucheranlagen sind in DIN VDE 0100 Teil 410 folgende Werte festgelegt: • Maximal 0,2 s für Stromkreise bis 35 A Nennstrom mit Steckdosen. • Maximal 0,2 s in allen anderen Stromkreisen mit Betriebsmitteln der Schutzklasse I, wenn sie während des Betriebs dauernd in der Hand gehalten oder umfasst werden, wie z. B. die Betätigungselemente einer Werkzeugmaschine. • maximal 5 s in allen anderen Stromkreisen mit fest angeschlossenen Betriebsmitteln.

Betriebsarten Drehstrom-Asynchronmotoren und Niederspannungs-Schaltgeräte sind - mit Ausnahme von Motoren für spezielle Anwendungen wie Stellantriebe - für Dauerbetrieb mit Bemessungsleistung ausgelegt. Ein erheblicher Teil der Motoren wird jedoch mit einer vom Dauerbetrieb abweichenden Betriebsart gefahren. Da die hierbei zu erzielende Leistungsausbeute von der Dauerbetriebsleistung erheblich abweichen kann, wird zum Projektieren von Antrieben und deren Schaltgeräte eine genaue Beschreibung der Betriebsart benötigt.

Hinweis: In DIN EN 60034-1 (VDE 0530 Teil 1) wurde zur Erleichterung der Verständigung zwischen Anwender und Hersteller die Vielzahl der denkbaren Betriebsarten für Motoren in neun Hauptbetriebsarten (S1 bis S9) eingeteilt.

Betriebsart S1 (Dauerbetrieb) Betriebsart S1 ist gekennzeichnet durch den konstanten Belastungszustand, z. B. mit Bemessungsleistung, dessen Dauer ausreicht, um den thermischen Beharrungszustand zu erreichen. Die Anlagenkomponenten müssen so bemessen sein, dass sie den konstanten Belastungsstrom auf unbegrenzte Zeit führen können, ohne dass ein Eingriff notwendig ist und ohne dass ihre zulässigen Grenztemperaturen überschritten werden. Die Kennzeichnung erfolgt durch S1 und Angabe der Leistung, z. B. S1:20 kW.

2 – 16

Betriebsart S1: Dauerbetrieb

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

2 – Netzdaten und Betriebsarten Betriebsart S2 (Kurzzeitbetrieb) Dies ist ein Betrieb mit konstantem Belastungszustand, der aber nicht so lange dauert, dass der thermische Beharrungszustand erreicht wird, und mit einer nachfolgenden Pause, die so lange besteht, bis die Maschinentemperatur nicht mehr als 2 K von der Temperatur des Kühlmittels abweicht. Die Kennzeichnung erfolgt durch S2 sowie durch die Betriebsdauer und Leistung, z. B. S2: 20 min, 15 kW. Betriebsart S2: Kurzzeitbetrieb

Bei Kurzzeitbetrieb (KB) mit dem konstanten Bemessungsbetriebsstrom Ie wird die Grenztemperatur der Anlagenkomponenten, z. B. der Schaltgeräte, während der Belastungszeit nicht erreicht. Die Pausen zwischen den Strombelastungen sind so lang, dass das Schaltgerät wieder auf Umgebungstemperatur abkühlen kann. Bei Kurzzeitbetrieb kann also ein Schaltgerät mit einem Strom IS2 > IeAC1 belastet werden, ohne dass die Grenztemperatur überschritten wird. Die Einschaltdauer tS2 während des Kurzzeitbetriebs ist gleich der Erwärmungszeit des Schaltgeräts bis zum Erreichen der Grenztemperatur. Je größer der Belastungsstrom IS2, um so kürzer ist die zulässige Belastungszeit tS2 (Erwärmungszeit). Der maximale Belastungsstrom IS2 darf dabei die dynamische Festigkeit der Schaltgeräte nicht übersteigen (z. B. Kontaktabheben). Auch mit steigender Umgebungstemperatur verkürzt sich die zulässige Belastungszeit tS2.

Ie IS2 θB θ0 tB n tS2

θmax

Bemessungsbetriebsstrom Strom bei Kurzzeitbetrieb Zulässige Grenztemperatur Umgebungstemperatur Belastungszeit Vielfaches von Ie Zulässige Betriebszeiten bei IS2 Höchste Temperatur

Erwärmungskennlinien von Schaltgeräten.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

2 – 17

2 – Netzdaten und Betriebsarten Betriebsart S3 (Periodischer Aussetzbetrieb) Dies ist eine Betriebsart, die sich aus einer Folge identischer Spiele zusammensetzt, von denen jedes eine Zeit mit konstanter Belastung und eine Pause umfasst, wobei der Anlaufstrom die Erwärmung nicht merklich beeinflusst. Periodischer Aussetzbetrieb bedeutet, dass während der Belastungszeit kein thermischer Beharrungszustand erreicht wird. Die Kennzeichnung erfolgt durch Belastungszeit (tB), Spieldauer (tS) und Leistung bzw. Strom, z. B. S3: 15 min/60 min, 20 kW, oder durch die relative Einschaltdauer tr (ED) in Prozent und durch die Spieldauer, z. B. S3: 20 %, 60 min, 20 kW.

Betriebsart S3: Periodischer Aussetzbetrieb ohne Einfluss des Anlaufvorgangs.

Für Motoren gilt nach der Bestimmung DIN EN 60034-1 (VDE 0530) als Spieldauer bei Aussetzbetrieb 10 min, wenn nichts anderes vereinbart wird. Diese Spieldauer ist in der Praxis als oberer Grenzwert zu betrachten. Beim periodischen Aussetzbetrieb werden die Schaltgeräte periodisch ein- und ausgeschaltet, wobei Belastungszeit und Betriebspausen so kurz sind, dass die Geräteteile ihr thermisches Gleichgewicht weder bei den Erwärmungs- noch bei den Abkühlungsvorgängen erreichen. Der periodische Aussetzbetrieb wird durch die Angabe einer relativen Belastungszeit und der Spieldauer bzw. der relativen Einschaltdauer (ED) in Prozent gekennzeichnet. ED = tr = (tB / tS) • 100 (in %) Für die Praxis mit vielen unterschiedlichen Werten gilt: ED = (ΣtB / (ΣtB + ΣtSt)) • 100 (in %)

2 – 18

Periodischer Aussetzbetrieb, unterschiedlich lange Belastungs- und Pausenzeiten während eines Zyklus (Spielfolge).

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

2 – Netzdaten und Betriebsarten

TIPP: Vorzugswerte der relativen Einschaltdauer nach DIN EN 60947-1 (VDE 0660 Teil 100) sind 15 %, 25 %, 40 % und 60 %. Betriebsart S4 mit Einfluss des Anlaufvorgangs Dies ist ein Betrieb, der sich aus einer Folge identischer Spiele zusammensetzt, von denen jedes eine merkliche Anlaufzeit (tA), eine Zeit mit konstanter Belastung (tB) und eine Pause (tst) umfasst. Zusätzliche Angaben über das Trägheits- und Lastmoment während des Anlaufs sind notwendig. Die Kennzeichnung erfolgt durch die relative Einschaltdauer in Prozent, die Zahl der Anläufe pro Stunde und die Leistung, z. B. S4: 40 %, 520 Anläufe, 30 kW. Betriebsart S4: Periodischer Aussetzbetrieb mit Einfluss des Anlaufvorgangs.

tr = (tA + tB) / (tA + tB + tSt)

Betriebsart S5 mit elektrischer Bremsung Dies ist ein Betrieb, der sich aus einer Folge identischer Spiele zusammensetzt, von denen jedes eine merkliche Anlaufzeit (tA), eine Zeit mit konstanter Belastung (tB), eine Zeit schneller elektrischer Bremsung (tBr) und eine Pause (tSt) umfasst. tr = (tA + tB + tBr) / (tA + tB + tBr + tSt)

Zusätzliche Angaben über Trägheits- und Lastmomente bei Anlauf und Bremsung. Die Kennzeichnung ist wie bei S4, jedoch mit Angabe der Bremsart, z. B. S5: 30 %, 250 Spiele je Stunde, Bremsung durch Gegenstrombremsen, 50 kW.

Betriebsart S5: Periodischer Aussetzbetrieb mit Einfluss des Anlaufvorgangs und mit elektrischer Bremsung.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

2 – 19

2 – Netzdaten und Betriebsarten Betriebsart S6 (unterbrochener periodischer Betrieb) Dies ist ein Betrieb, der sich aus einer Folge identischer Spiele zusammensetzt, von denen jedes eine Zeit mit konstanter Belastung (tB) und eine Leerlaufzeit (tL) umfasst. Es tritt keine Pause auf. Die Kennzeichnung erfolgt wie bei S3, z. B. S6: 30 %, 40 min, 85 kW. tr = tB / (tB + tL)

Betriebsart S6: Durchlaufbetrieb mit Aussetzbelastung.

Hinweis: Die Spieldauer ist im Allgemeinen so kurz, dass der thermische Beharrungszustand nicht erreicht wird.

Betriebsart S7 (Ununterbrochener periodischer Betrieb mit elektrischer Bremsung) Dies ist ein Betrieb, der sich aus einer Folge identischer Spiele zusammensetzt, von denen jedes eine merkliche Anlaufzeit (tA), eine Zeit mit konstanter Belastung (tB) und eine Zeit mit schneller elektrischer Bremsung (tbr) umfasst. Es tritt keine Pause auf. Zusätzliche Angaben über Trägheits- und Lastmoment bei Anlauf und Bremsung sind hierbei notwendig. Die Kennzeichnung erfolgt wie bei S5, jedoch ohne tr, z. B. S7: 12 kW, 500 Reversierungen je Stunde.

Betriebsart S7: Ununterbrochener periodischer Betrieb mit elektrischer Bremsung (tr = 1)

Betriebsart S8 (ununterbrochener periodischer Betrieb mit Last-/Drehzahländerung Dies ist ein Betrieb, der sich aus einer Folge identischer Spiele zusammensetzt; jedes dieser Spiele umfasst eine Zeit mit konstanter Belastung (tB) und bestimmter Drehzahl; anschließend eine oder mehrere Zeiten mit anderer Belastung, denen unterschiedliche Drehzahlen entsprechen. Die Kennzeichnung und entsprechende Zusatzangeben sind wie bei S5, jedoch für jede Drehzahl.

2 – 20

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

2 – Netzdaten und Betriebsarten tr1 = (tA + tB1) / (tA + tB1 + tBr1 + tB2 + tBr2 + tB3) tr2 = (tBr1 + tB2) / (tA + tB1 + tBr1 + tB2 + tBr2 + tB3) tr3 = (tBr2 + tB3) / (tA + tB1 + tBr1 + tB2 + tBr2 + tB3)

Betriebsart S8: Ununterbrochener periodischer Betrieb mit Last-/Drehzahländerung.

Betriebsart S9 (Betrieb mit nichtperiodischer Last- und Drehzahländerung) Dies ist ein Betrieb, bei dem sich im Allgemeinen Belastung und Drehzahl innerhalb des zulässigen Betriebsbereichs nichtperiodisch ändern. Bei diesem Betrieb treten häufig Belastungsspitzen auf, die weit über der Bemessungsleistung liegen dürfen.

Beachte: Dieser Betriebsart muss eine passend gewählte Dauerbelastung als Bezugswert für das Lastspiel zugrunde gelegt werden.

Betriebsart S9: Betrieb mit nichtperiodischer Last- und Drehzahländerung.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

2 – 21

2 – Netzdaten und Betriebsarten

Hinweis: Bei genauerer Betrachtung der Betriebsarten S2 bis S9 ist grundsätzlich zu erkennen, dass sie sich in zwei Gruppen einteilen lassen: • Betriebsarten, die gegenüber dem Dauerbetrieb S1 eine Leistungserhöhung zulassen (S2, S3, S6). • Betriebsarten, die gegenüber dem Dauerbetrieb S1 eine Leistungsreduzierung erfordern (S4, S5, S7, S8, S9).

Betrieb bei ungleichmäßiger Belastung Eine der häufigsten Abweichungen von den nach DIN EN 60034-1 (VDE 0530 Teil1) definierten Betriebsarten ist, dass die geforderte Leistung während der Belastungszeiten nicht konstant ist. Dann lässt sich die Leistung P (Strom I, Moment M) durch eine mittlere Leistung Pqmi (Strom Iqmi, Moment Mqmi) ersetzen. Sie ist der quadratische Mittelwert aus den einzelnen Belastungen. Das hierbei maximal auftretende Moment darf 80 % des Kippmoments nicht übersteigen. Wenn sich die benötigte größte Leistung um mehr als den Faktor 2 von der kleinsten Leistung unterscheidet, wird die mittlere Leistung zu ungenau; es muss dann mit dem mittleren Strom gerechnet werden. Diese Mittelwertbildung ist bei Betriebsart S2 nicht möglich. Hat der Belastungsstrom des Kurzzeitbetriebs während der gesamten Einschaltdauer tS2 keinen konstanten Wert, so muss der quadratische Mittelwert Iqmi ermittelt werden, der für die Erwärmung maßgebend ist. Iqmi = √ (I12t1 + I22t2 + ... + In2tn) / (t1 + t2 + ... + tn)

Beispiel: Unregelmäßige Strombelastung während des Kurzzeitbetriebs: Die Strombelastung IS2 = f(t) wird durch eine Stufenbelastung It während der Zeit t1 usw. bis I4 während der Zeit t4 ersetzt. Der sich ergebende quadratische Mittelwert Iqmi ist für die Erwärmung des Schaltgeräts während des Kurzzeitbetriebs maßgebend, d. h. Iqmi = IS2 = n • IeAC1

Unregelmäßige Strombelastung bei Kurzzeitbetrieb während der Einschaltdauer tS2.

2 – 22

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

3 – Netzspannungen / Frequenzen

Internationale Netzspannungen und Frequenzen in Niederspannungsnetzen Nachfolgend sind die Spannungen der öffentlichen Niederspannungsnetze außerhalb der Bundesrepublik Deutschland angegeben. Die Angaben sind unverbindlich und erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Bei Doppelangaben für Netzspannungen bis 1.000 V wird die niedrigere Spannung in erster Linie für Beleuchtung und Kleingeräte (z. B. Radio) verwendet, während die höhere Spannung vorwiegend für Geräte mit großer Leistung (z. B. Motoren) benutzt wird. Ist bei Doppelangaben die höhere Spannung genau zweimal so groß wie der niedrigere Wert (z. B. 100/200 V), so handelt es sich um ein Einphasen-Dreileitersystem mit zwei Außenleitern und einem Mittelleiter. Ist bei Doppelangaben die höhere Spannung (Außenleiterspannung = verkettete Spannung) 1,73-mal so groß wie der untere Wert (Sternspannung = Phasenspannung, z. B. 230/400 V), so handelt es sich um ein Drehstrom-Vierleitersystem mit drei Außenleitern und einem Sternpunktleiter. Bei Einzelangaben, z. B. 500 V, handelt es sich um ein DrehstromDreileitersystem mit drei Außenleitern.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

3–1

Belgien

50 Hz

230/400 - 127/220 - 220 V

Dänemark

50 Hz

230/400 V

Deutschland

50 Hz

230/400 - 5001) - 6901) V

Finnland

50 Hz

230/400 - 5001) - 6601) V

Frankreich

50 Hz

127/220 - 230/400 - 5001) - 380/6601) - 525/9101) V

Griechenland

50 Hz

230/400 - 127/2202) V

Großbritannien

50 Hz

(230/400 V)3)

Irland

50 Hz

230/400 V

Island

50 Hz

127/2202) - 230/400 V

Italien

50 Hz

127/220 - 230/400 V

Luxemburg

50 Hz

230/400 V

Niederlande

50 Hz

230/400 - 6601) V

Nordirland

50 Hz

230/400 - Belfast 220/380 V

Norwegen

50 Hz

230 - 230/400 - 5001) - 6901) V

Österreich

50 Hz

230/400 - 5001) - 6901) V

Portugal

50 Hz

230/400 V

Schweden

50 Hz

230/400 V

Schweiz

50 Hz

230/400 - 5002) V

Spanien

50 Hz

230/400 V

Albanien

50 Hz

230/400 V

Bulgarien

50 Hz

230/400 V

Kroatien

50 Hz

230/400 V

Slowenien

50 Hz

230/400 V

Serbien

50 Hz

230/400 V

Tschechien

50 Hz

230/400 - 5001) - 6901) V

Slovakei

50 Hz

230/400 - 5001) - 6901) V

Gebiet der 50 Hz ehemaligen UdSSR

230/400 - 6901) V

Polen

230/400 V

50 Hz

2)

1)

Nur Industrie Kein weiterer Ausbau 3) Seit dem Jahr 2003

Osteuropa

Westeuropa

3 – Netzspannungen / Frequenzen

3–2

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

50 Hz

230/400 V

Ungarn

50 Hz

230/400 V

Afghanistan

50 Hz

220/380 V

Bahrein

50 Hz

230/400 V

Irak

50 Hz

220/380 V

Iran

50 Hz

220/380 V

Israel

50 Hz

230/400 V

Jordanien

50 Hz

220/380 V

Kuwait

50 Hz

240/415 V

Libanon

50 Hz

110/190-220/380 V

Oman

50 Hz

220/380 - 240/415 V

Qatar

50 Hz

240/415 V

Saudi Arabien

60 Hz

Syrien

50 Hz

127/220 - 220/380 - 4801) V (220/380 - 240/415 V, 50 Hz: nur Reste) 115/200-220-380-4001) V

Türkei

50 Hz

220/380 V (Teile von Istanbul: 110/190 V) 220/380 - 240/415 V (Abu Dhabi; Ajman; Dubai; Fujairah; Ras al-Khaimah; Sharjah; Umm al-Gaiwain) 220/380 V

Yemen (Süd)

50 Hz

230/400 V

Zypern

50 Hz

240/415 V

Bangladesh

50 Hz

230/400 V

Burma

50 Hz

230/400 V

China VR

50 Hz

127/220 - 220/380 V (im Bergbau: 1140 V)

Hongkong

50 Hz

200/346 V

Indien

50 Hz

220/380 - 230/400 - 240/415 V

Indonesien

50 Hz

127/220 - 220/380 - 4001) V

Japan

50 Hz

100/200 - 4001) V

Kambodscha

50 Hz

120/208 V - Phnom Penh: 220/238 V

Nur Industrie Kein weiterer Ausbau 3) Seit dem Jahr 2003

Vereinigte 50 Hz Arabische Emirate Yemen (Nord) 50 Hz

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

3–3

2)

Rumänien

1)

Fernost

Nahost

Osteuropa

3 – Netzspannungen / Frequenzen

2)

1)

Nur Industrie Kein weiterer Ausbau 3) Seit dem Jahr 2003

Mittelamerika

Nordamerika

Fernost

3 – Netzspannungen / Frequenzen

3–4

Korea (Nord)

60 Hz

220/380V

Korea (Süd)

60 Hz

100/2002) - 220/380 - 4401) V

Malaysia

50 Hz

240/415 V

Mongolische VR

50 Hz

220/380 V

Pakistan

50 Hz

230/400 V

Philippinen

60 Hz

110/220-440V

Singapur

50 Hz

240/415 V

Sri Lanka

50 Hz

230/400 V

Südteil Honshu, 60 Hz Shikoku, Kyushu, Hokkaido, Nordteil Honshu Taiwan 60 Hz

110/220-4401) V

Thailand

50 Hz

220/380 V

Vietnam

50 Hz

220/380 V

Kanada

60 Hz

600 - 120/240 - 460 - 575 V

USA

60 Hz

120/208 - 120/240 - 277/480 - 6001) V

Bahamas

60 Hz

115/200 - 120/208 V

Barbados

50 Hz

110/190 - 120/208 V

Belize

60 Hz

110/220 - 220/440 V

Costa Rica

60 Hz

Dominikanische Republik Guatemala

60 Hz

120/2082) - 120/240 - 127/2202) - 254/4402) 277/4801) V 120/208 - 120/240 - 4801) V

Haiti Honduras

50 Hz 60 Hz 60 Hz

120/208 - 120/240 - 127/220 - 277/4801) - 4801) 5501) V 220/380 V (Jacmel), 110/220 V 110/220 - 127/220 - 277/480 V

Jamaika

50 Hz

110/220 - 4401) V

Kuba

60 Hz

120/240 - 220/380 - 277/4801) - 4401) V

Mexiko

60 Hz

127/220 - 4401) V

Nicaragua

60 Hz

110/220 - 120/240 - 127/220 - 220/440 254/4401) V

60 Hz

110/220 - 220/440 V

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

60 Hz

120/2081) - 120/240 - 254/4401) - 277/4801) V

Puerto Rico

60 Hz

120/208 - 480 V

El Salvador

60 Hz

Trinidad

60 Hz

110/220 - 120/208 - 127/220 - 220/440 - 240/4801) 254/4401) V 110/220 - 120/240 - 230/400 V

Argentinien

50 Hz

220/380 V

Bolivien Brasilien

60 Hz 50 Hz 60 Hz

220/380 - 480 V 110/220 - 220/380 V (Ausnahmen) 110/220 - 220/440 - 127/220 - 220/380 V

Chile

50 Hz

220/380 V

Ecuador

60 Hz

120/208 - 127/220 V

Guyana Kolumbien

50 Hz 60 Hz 60 Hz

110/220 V (Georgetown), 110/220 - 240/480 V 110/220 - 150/260 - 440 V

Paraguay

50 Hz

220/380 - 220/440 V

Peru

60 Hz

220 - 220/380 - 440 V

Surinam

60 Hz

115/230 - 127/220 V

Uruguay

50 Hz

220 V

Venezuela

60 Hz

120/208 - 120/240 - 208/416 - 240/480 V

Ägypten

50 Hz

110/220 - 220/380 V

Äthiopien

50 Hz

220/380 V

Algerien

50 Hz

127/220 - 220/380 V

Angola

50 Hz

220/380 V

Benin

50 Hz

220/380 V

Elfenbeinküste

50 Hz

220/380 V

Gabun

50 Hz

127/220 - 220/380 V

Guinea

50 Hz

220/380 V

Kenia

50 Hz

240/415 V

Kamerun

50 Hz

127/220 - 220/380 V

Kongo

50 Hz

220/380 V

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

3–5

2)

Nur Industrie Kein weiterer Ausbau 3) Seit dem Jahr 2003

Panama

1)

Afrika

Südamerika

Mittelamerika

3 – Netzspannungen / Frequenzen

Ozeanien

2)

1)

Nur Industrie Kein weiterer Ausbau 3) Seit dem Jahr 2003

Afrika

3 – Netzspannungen / Frequenzen

3–6

Liberia

60 Hz

120/208 - 120/240 V

Libyen

50 Hz

127/2202) - 220/380 V

Madagaskar

50 Hz

127/220 - 220/380 V

Malawi

50 Hz

220/380 V

Mali

50 Hz

220/380 V

Marokko

50 Hz

115/200 - 127/220 - 220/380 - 5001) V

Mauritius

50 Hz

240/415 V

Mosambik

50 Hz

220/380 V

Namibia

50 Hz

220/380 V

Niger

50 Hz

220/380 V

Nigeria

50 Hz

240/415 V

Ruanda

50 Hz

220/380 V

Sambia

50 Hz

220/380 - 415 - 5501) V

Senegal

50 Hz

127/220 - 220/380 V

Sierra Leone

50 Hz

220/380 V

Somalia

50 Hz

220 - 220/440 V

Sudan

50 Hz

240/415 V

Südafrika

50 Hz

220/380 - 5001) - 550/9501) V

Swasiland

50 Hz

220/380 V

Tansania

50 Hz

230/400 V

Togo

50 Hz

127/220 - 220/380 V

Tunesien

50 Hz

115/200 - 220/380 V

Uganda

50 Hz

240/415 V

Zaire (Kongo)

50 Hz

220/380 V

Zimbabwe

50 Hz

220/380 V

Australien

50 Hz

240/415 V, Westaustralien: 254/440 V

Neuseeland

50 Hz

230/400 V

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

4 – Netzschutz

Netzschutz Grundlagen Dieses Kapitel umfasst im Wesentlichen die Errichtung von elektrischen Energieverteilungsanlagen im Niederspannungsnetz. Es wird deshalb auch bei der Betrachtung des Netzschutzes das Hauptgewicht auf die Niederspannungsseite gelegt. Netzform Während in Gebäude- und Industrienetzen die Mittelspannung meist als Ringnetz aufgebaut ist, werden niederspannungsseitig eher radiale Netzformen (Strahlennetze, Doppelstichnetze) gewählt. Zur Aufteilung der Leistung von der Einspeisung bis zum Verbraucher ist eine Anzahl von Schaltanlagen und Verteilern notwendig, deren Schutzgeräte dann in Reihe geschaltet sind. Aufgaben des Netzschutzes Der Netzschutz hat die Aufgabe, Fehler zu erfassen und gestörte Netzteile selektiv aus dem Netz herauszutrennen. Er soll dabei durch kurze Abschaltzeiten die Fehlerenergie begrenzen und die Auswirkung von Störlichtbögen klein halten. Hohe Leistungsdichte, große Einzelleistungen und relativ kurze Entfernungen in Industrie- und Gebäudenetzen bedingen eine enge Verknüpfung von Nieder- und Mittelspannungsnetzen. Vorgänge im Niederspannungsnetz (Kurzschluss, Anlaufstrom) wirken sich auch im Mittelspannungsnetz aus. Umgekehrt hat der Schaltzustand des Mittelspannungsnetzes Einfluss auf die Selektivitätskriterien im unterlagerten Netz. Netz- und Schutzgestaltung sind deshalb im gesamten Verteilungssystem abzustimmen und die Schutzfunktionen zu koordinieren.

Hinweis: Der Schutz elektrischer Anlagen in einem Netz erfolgt entweder durch die den Anlagenteilen zugeordneten Schutzgeräte oder durch Kombinationen derselben. Reserveschutz Bei Versagen eines Schutzgeräts muss das übergeordnete Gerät den Schutz übernehmen. Backup-Schutz Tritt an einer Stelle des Netzes eine Kurzschlussstrombelastung auf, die höher als das Bemessungsein- bzw. ausschaltvermögen des eingesetzten Schutzgeräts sowie die Kurzschlussfestigkeit aller nachgeordneten Anlagenteile ist, so muss der Backup-Schutz durch ein vorgeordnetes strombegrenzendes Schutzgerät sichergestellt werden.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

4–1

4 – Netzschutz Bemessungs-Kurzschlussausschaltvermögen Das Bemessungs-Kurzschlussausschaltvermögen ist der Maximalwert des Kurzschlussstroms, welchen das Schutzgerät in der Lage ist, vorschriftsmäßig abzuschalten. Bis zu diesem Wert darf das Schutzgerät auch in einem Netz eingesetzt werden. Selektivität Das Thema Selektivität wird besonders in den letzten Jahren immer mehr diskutiert und zum Teil pauschal in Ausschreibungen gefordert. Durch die Komplexität dieses Themas sind oft nur ungenügende Informationen zur Auswahl und Anwendung zu finden. Sowohl die Anforderungen in Bezug auf Voll- oder Teilselektivität als auch die Auswirkungen in den Energieverteilungsnetzen sollten je nach Norm, Branche, Land, Netzform bzw. Netzstruktur mit den jeweiligen Netzplanern, -errichtern und -betreibern vorher geklärt werden. Zu beachten ist auch die Gesamtvernetzung mit den fünf Regeln der Stromkreisdimensionierung.

Hinweis: Nachweis der Selektivität ist gefordert in IEC 60364-7-710 bzw. DIN VDE 100-710 und -718.

Vollselektivität Zur Wahrung der Versorgungssicherheit von Energieverteilungen wird immer mehr volle Selektivität gefordert. Als vollselektiv wird ein Netz bezeichnet, wenn in Energieflussrichtung gesehen (von der Einspeisung zum Verbraucher) nur das der Fehlerstelle vorgeordnete Schutzgerät abschaltet.

Hinweis: Volle Selektivität bezieht sich immer auf den maximalen an der Einbaustelle auftretenden Kurzschlussstrom Ik max.

Teilselektivität Die betreffende Gerätekombination (vor- und nachgeordnet) ist nicht bis zum satten, 3-phasigen und damit maximalen Kurzschlussstrom Ik max selektiv. Unter gewissen Umständen reicht auch eine Teilselektivität bis zu einem bestimmten Kurzschlussstrom. Für ungünstige Fehlerfälle sind dann Wahrscheinlichkeit des Eintretens und Folgewirkungen für den Verbraucher gegeneinander abzuwägen.

4–2

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

4 – Netzschutz Schutzeinrichtungen NH-Sicherungen (IEC 60269-2/VDE 0636-2x) NH-Sicherungen haben ein hohes Kurzschlussausschaltvermögen und begrenzen durch ihr schnelles Abschmelzen den Kurzschlussstrom sehr stark. Die Schutzkennlinie ist durch die Auswahl der Betriebsklasse der NH-Sicherung - z. B. Ganzbereichssicherung als Überlast- und Kurzschlussschutz oder Teilbereichssicherung nur als Kurzschlussschutz und des Bemessungsstroms gegeben. Niederspannungsleistungsschalter (IEC 60947-2 /VDE660-101) Leistungsschalter für Energieverteilungsanlagen unterscheiden sich im Wesentlichen • in der Bauart (offene oder kompakte Bauform), • der Einbauart (Festeinbau, steckbar, Einschub), • dem Bemessungsstrom (max. Nennstrom des Schalters), • der Strombegrenzung; strombegrenzend (MCCB; Molded CaseCircuit Breaker) oder nicht strombegrenzend (ACB; Air Circuit Breaker), • den Schutzfunktionen (siehe Auslöser) • der Kommunikationsfähigkeit (Fähigkeit der Datenübertragung aus und in den Schalter), • der Gebrauchskategorie (A oder B, siehe IEC 60947-2).

Schutzkennlinie von NH-Sicherung und NiederspannungsLeistungsschalter mit Auslösern.

Auslöser / Schutzfunktion Die Schutzfunktion des Leistungsschalters im Energieverteilungsnetz wird durch die Wahl des entsprechenden Auslösers bestimmt. Die Auslöser werden unterschieden in thermomagnetische Auslöser (früher auch als elektromechanische Auslöser bezeichnet) und elektronische Auslöser (ETU).

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

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4 – Netzschutz •

Überlastschutz Bezeichnung: L (Long Time Delay); auch a Stromabhängig verzögerte Überlastauslöser werden je nach Auslösertyp mit optionalen Kennlinien angeboten.

•

Neutralleiterschutz Bezeichnung N (neutral) Stromabhängig verzögerte Überlastauslöser für den Neutralleiter werden mit der Abhängigkeit 50 % und 100 % des Überlastauslösers angeboten.

•

Kurzschlussschutz, unverzögert Bezeichnung: I (Instantaneous); früher auch n Beispiel: Magnetauslöser. Je nach Applikation werden I-Auslöser sowohl mit fester, einstellbarer als auch mit Off-Funktion angeboten.

•

Kurzschlussschutz, verzögert Bezeichnung: S (Short Time Delay); früher auch z Für eine zeitliche Anpassung von Schutzfunktionen in Reihe. Neben den Standardkennlinien und Einstellungen werden auch optionale Funktionen für bestimmte Applikationen angeboten: - Stromunabhängige Überstromauslöser Bei dieser “Standard-S-Funktion” wird die gewünschte Verzögerungszeit (tsd) ab einem eingestellten Stromwert (Schwellwert Isd) definiert eingestellt (definierte Zeit; definite time; ähnlich der UMZ-Funktion in der Mittelspannung) - Stromabhängiger Überstromauslöser Bei dieser optionalen S-Funktion ist das Produkt I2t immer konstant. Diese Funktion wird im Allgemeinen zur Sicherstellung einer besseren Selektivität eingesetzt (Inverse Time; ähnlich der AMZ-Funktion in der Mittelspannung).

•

Erdschlussschutz Bezeichnung: G (Ground Fault); früher auch g Neben der Standardfunktion (stromunabhängig) wird auch hier eine optionale Funktion (I2t = stromabhängige Verzögerung) angeboten.

•

Fehlerstromschutz Bezeichnung: RCD (Residual Current Device); früher auch DI Zur Erfassung von Differenzfehlerströmen bis 3 A, ähnlich der FIFunktion zum Personenschutz (bis 500 mA).

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Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

4 – Netzschutz

Hinweis: Elektronische Auslöser bieten darüber hinaus neuartige Auslösekriterien, welche mit elektromechanischen Auslösern nicht realisierbar sind. Schutzkennlinien Die Schutzkennlinie ist durch den Schalterbemessungsstrom sowie die Einstell- und Ansprechwerte der Auslöser gegeben. Niederspannungs-Leitungsschutzschalter (MCB – Miniature Circuit Breaker) IEC60898-1/VDE 0641-11 Leitungsschutzschalter können nach ihrer Arbeitsweise unterschieden werden in • stark strombegrenzend • schwach strombegrenzend Die Schutzfunktionen werden durch elektromechanische Auslöser bestimmt: • Überlastschutz durch stromabhängig verzögerte Überlastauslöser, z. B. Bimetallauslöser • Kurzschlussschutz durch unverzögerte Überstromauslöser, z. B. Magnetauslöser Niederspannungs-Schutzgerätekombination In Energierichtung können bei den nacheinander geschalteten Verteilern folgende Schutzgeräte in Reihe liegen: • Sicherung mit nachgeordneter Sicherung • Leistungsschalter mit nachgeordnetem Leitungsschutzschalter • Leistungsschalter mit nachgeordneter Sicherung • Sicherung mit nachgeordnetem Leistungsschalter • Sicherung mit nachgeordnetem Leitungsschutzschalter • mehrere parallele Einspeisungen (mit oder ohne Kupplungen) mit nachgeordnetem Leistungsschalter oder nachgeordneter Sicherung Bei vermaschten Niederspannungsnetzen ist die Stromselektivität zu überprüfen. Bei den in das Niederspannungsnetz einspeisenden Transformatoren sind der ober- und unterspannungsseitige Schutz aufeinander und auf den weiteren Schutz des unterlagerten Netzes abzustimmen. Die Auswirkungen auf das überlagerte Mittelspannungsnetz müssen überprüft werden. Im Mittelspannungsnetz sind HHSicherungen in der Regel nur vor den Transformatoren der Niederspannungseinspeisung vorhanden. Bei den vorgeordneten Leistungsschaltern liegen meist nur Überstromzeitschutzeinrichtungen mit unterschiedlicher Charakteristik in Reihe. Differenzialschutz beeinflusst nicht oder nur gering die Staffelung der weiteren Schutzeinrichtungen.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

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4 – Netzschutz Selektivitätskriterien Neben den primären Einsatzkriterien eines Schutzgeräts Bemessungsstrom und Bemessungsschaltvermögen - ist für eine optimale Versorgungssicherheit die Selektivität ein wesentliches Kriterium. Für die selektive Arbeitsweise der in Reihe liegenden Schutzgeräte sind folgende Kriterien anwendbar: • nur der Zeitunterschied der Abschaltung (Zeitstaffelung) • nur der Stromunterschied der Ansprechwerte (Stromstaffelung) • die Kombination aus Zeit- und Stromstaffelung (stromabhängige Zeitstaffelung) Darüber hinaus werden Leistungsrichtung (Richtungsschutz), Impedanz (Distanzschutz) und Stromdifferenz (Differenzialschutz) eingesetzt. Voraussetzungen für selektives Verhalten der Schutzgeräte Selektivität lässt sich nur erreichen, wenn bei der Projektierung sowohl die höchsten (Ik max) als auch die niedrigsten (Ikmin) Kurzschlussströme für die markanten Netzpunkte bekannt sind. Daraus ergibt sich: • Der höchste auftretende Kurzschlussstrom entscheidet über das erforderliche Bemessungs-Kurzschlussschaltvermögen des Leistungsschalters. Kriterium: Icu bzw. Ics > Ik max • Der niedrigste auftretende Kurzschlussstrom ist für die Einstellung des Kurzschlussauslösers wichtig; der Ansprechwert dieses Auslösers muss niedriger sein als der kleinste auftretende Kurzschlussstrom am Ende der zu schützenden Strecke. Denn nur bei dieser Einstellung von Isd bzw. Ii kann gewährleistet werden, dass der Überstromauslöser seine Personen- und Anlagenschutzfunktion erfüllen kann.

Beachte: Bei diesen Einstellungen sind die zulässigen Einstell-Toleranzen von ± 20 % bzw. die Toleranzangaben der Hersteller zu beachten.

Kriterium i. A.: Isd bzw. Ii ≤ Ik min – 20 % • Die Forderung nach Einhaltung der Auslösebedingungen bestimmt die maximalen Leitungslängen oder -querschnitte. • Selektive Stromstaffelung lässt sich nur mit Kenntnis der Kurzschlussströme erreichen. • Eine Teilselektivität über die Stromstaffelung hinaus lässt sich auch durch aufeinander abgestimmte Schutzgerätekombinationen erreichen. • Grundsätzlich kann der höchste auftretende Kurzschlussstrom sowohl der 3-polige als auch der 1-polige sein.

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4 – Netzschutz •

•

Im Bereich der Einspeisung ins Niederspannungsnetz wird der 1-polige Fehlerstrom größer als der 3-polige, wenn Transformatoren mit der Schaltgruppe Dy im Einsatz sind. Der 1-polige Kurzschlussstrom wird dann zum kleinsten auftretenden Fehlerstrom, wenn die dämpfende Nullimpedanz der Niederspannungskabel wirksam wird.

TIPP: Für größere Anlagen ist es empfehlenswert, alle Kurzschlussströme über eine Software zu ermitteln. Hierfür bietet die Dimensionierungs- und Berechnungssoftware Simaris design optimale Voraussetzungen.

Staffeln der Ansprechströme bei Anwendung der Zeitstaffelung Bei Anwendung der Zeitstaffelung wird auch die Staffelung der Ansprechströme mit einbezogen, d. h., der Ansprechwert des Überstromauslösers des vorgeordneten Leistungsschalters muss im Allgemeinen mindestens um den Faktor 1,5 höher eingestellt werden als der des nachgeordneten. Hierdurch wird die Toleranz der Ansprechströme von unabhängig verzögerten Überstromauslösern S (± 20 %) ausgeglichen. Bei Herstellerangaben von kleineren Toleranzen verringert sich entsprechend der Faktor. Zur Überprüfung und visuellen Darstellung der Selektivität empfiehlt es sich, die Auslösekennlinie der gestaffelten Schutzgeräte mit ihren Toleranzbändern einschließlich der Schaltereigenzeiten in ein Strom-ZeitDiagramm einzutragen.

Anfertigen von Strom-Zeit-Diagrammen (Staffeldiagrammen) Beim Eintragen der Auslösekennlinien in ein Doppel-Logarithmenpapier ist zu beachten: • Die Auslösekennlinien dürfen sich weder überschneiden noch berühren, um Selektivität zu erzielen. • Bei elektronischen stromabhängig (lang)verzögerten Überstromauslösern gibt es nur eine Auslösekennlinie, denn sie wird vom Vorbelastungszustand nicht beeinflusst. Die gewählte Kennlinie muss daher für den betriebswarmen Motor oder Transformator geeignet sein. • Bei mechanischen stromabhängig (thermisch) verzögerten Überlastauslösern (L) gelten die in den Herstellerkatalogen dargestellten Kennlinien für den kalten Zustand. Bei betriebswarmem Zustand verringern sich die Öffnungszeiten bis auf 25 %.

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4 – Netzschutz Beispiel eines von Hand angefertigten Staffeldiagramms mit Auslösekennlinien von zwei in Reihe geschalteten Leistungsschaltern Q1 und Q2 mit Berücksichtigung von Toleranzen. Das Anfertigen der Staffeldiagramme von Hand ist nicht mehr notwendig bei Verwendung der Planungssoftware Simaris design.

Toleranzen der Auslösekennlinien • Die in den Herstellerkatalogen enthaltenen Auslösekennlinien der Leistungsschalter stellen meist nur Mittelwerte dar und sind um die Toleranzen zu ergänzen. • Bei Überstromauslösern – unverzögerte Auslöser (I) und verzögerte Auslöser (S) – darf die Toleranz der Streubereiche ± 20 % betragen (nach IEC 60947-2/VDE 0660-101). Maßgebende Auslösezeiten Übersichtshalber wird für Leistungsschalter mit stromunabhängig verzögerten Überstromauslösern (S) nur die Verzögerungszeit tsd und mit unverzögerten Überstromauslösern (I) die Öffnungszeit tö eingetragen. Richtig staffeln Verzögerungszeiten und Ansprechströme werden entgegen der Energierichtung gestaffelt, beginnend beim Endstromkreis: • ohne Sicherungen beim Verbraucherschalter mit dem größten Einstellstrom des Überstromauslösers • mit Sicherungen beim Sicherungsabzweig an der Sammelschiene mit dem größten Bemessungsstrom des Sicherungseinsatzes Wenn sich bei Sicherungseinsätzen großer Bemessungsströme keine Selektivität zum stromunabhängig verzögerten Überstromauslöser (S) des Transformator-Einspeiseschalters oder sich diese nur bei sehr langen Verzögerungszeiten ergibt (tsd = 400 bis 500 ms), dann werden anstelle der Sicherungen Leistungsschalter eingesetzt. Darüber hinaus werden Leistungsschalter eingesetzt, wenn eine hohe Anlagenverfügbarkeit gewünscht wird, da Störungen schneller zu beheben sind und die Auslöser von Leistungsschaltern keiner Alterung unterliegen – insbesondere bei Abnehmern mit besonders langen Einspeisedistanzen.

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Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

4 – Netzschutz Vorgehen bei zwei oder mehreren Spannungsebenen Bei Betrachtung der Selektivitätsverhältnisse über zwei oder mehrere Spannungsebenen werden alle Ströme und Auslösekennlinien der Oberspannungsseite unter Berücksichtigung des Transformator-Übersetzungsverhältnisses auf die Niederspannungsseite umgerechnet und übertragen. Arbeitshilfen zur Anfertigung von Staffeldiagrammen • Vordrucke mit Stromwertepaaren bei gebräuchlichen Spannungen, z. B. für 20 / 0,4 kV, 10 / 0,4 kV, 13,8 / 0,4 kV und andere • Schablonen zur Darstellung der Auslösekennlinien

Niederspannungsseitige Zeitstaffelung Staffel- und Verzögerungszeiten Bei der Zeitstaffelung mehrerer in Reihe geschalteter Leistungsschalter oder in Verbindung mit NH-Sicherungen sind praktisch nur noch die Begriffe Staffelzeit tst und Verzögerungszeit tsd von Bedeutung. Bewährte Staffelzeiten tst Leistungsschalter in Reihe: Die sogenannten “bewährten Staffelzeiten” gelten als Richtwerte bzw. Faustformel. Exakte Angaben sind bei den jeweiligen Geräteherstellern zu erfragen. • Der zeitliche Abstand zwischen zwei Leistungsschaltern mit elektronischen Auslösern sollte ca. 70 bis 80 ms betragen. • Der zeitliche Abstand zwischen Leistungsschaltern mit unterschiedlichen Auslösern (ETU und TM) sollte ca. 100 ms betragen. • Bei Leistungsschaltern mit zeitverkürzter Selektivitätssteuerung (ZSS) ist die Verzögerungszeit des nicht blockierten Auslösers mit 50 ms vorgegeben. Bei blockiertem Auslöser löst der Schalter mit der eingestellten tsd-Zeit aus. Unabhängig von der Ausführung des S-Auslösers – mechanisch oder elektronisch - ist zwischen einem Leistungsschalter und einer nachgeordneten NH-Sicherung eine Staffelzeit von 70 bis 100 ms erforderlich. Backup-Schutz Leitungsschutzschalter müssen gemäß den technischen Anschlussbedingungen (TAB) der Versorgungsnetzbetreiber (VNB) zum Schutz gegen Beschädigung durch Kurzschlussströme Vorsicherungen mit höchstens 100 A Bemessungsstrom erhalten. Die Normen IEC und DIN VDE erlauben auch den Schutz eines Schaltgeräts durch eines der vorgeordneten Schutzgeräte mit dem entsprechenden Bemessungs-Kurzschlussschaltvermögen, wenn dadurch sowohl der Abzweig als auch das nachgeordnete Schutzgerät geschützt wird.

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4 – Netzschutz

Schutzgeräte für Niederspannungsnetze Leitungen und Kabel müssen mit Überstromschutzgeräten gegen zu hohe Erwärmung geschützt werden, die sowohl durch betriebsmäßige Überlastung als auch durch vollkommenen Kurzschluss auftreten kann. (Siehe Seip, Günther G. (Hrsg.): Elektrische Installationstechnik, 4. Aufl., Publicis, Erlangen, 2000, Kap. 1.7.)

Leistungsschalter mit Schutzfunktionen Schutzaufgaben der Niederspannungsleistungsschalter Leistungsschalter dienen vor allem dem Überlast- und Kurzschlussschutz. Zur weiteren Erhöhung der Schutzwirkung können sie auch mit zusätzlichem Auslöser, z. B. für Abschaltung bei Unterspannung, oder mit Zusatzbausteinen zur Erfassung von Fehler-/ Differenzströmen ausgerüstet werden. Nach der Schutzaufgabe werden unterschieden: • Leistungsschalter für den Anlagenschutz nach IEC 60947-2/ DIN VDE 0660-101 • Leistungsschalter für den Motorschutz nach IEC 60947-2/ DIN VDE 0660-101 • Leistungsschalter bei Verwendung im Motorstarter nach IEC 60947-4-2/ DIN VDE 0660-102 • Leitungsschutzschalter für Kabel- und Leitungsschutz nach IEC 60898/DIN VDE 0641-11

Nullpunktlöscher/Strombegrenzer Entsprechend ihrer Arbeitsweise können Leistungsschalter ausgeführt sein als • Nullpunktlöscher • Strombegrenzer (sicherungsähnlich strombegrenzend) Zum Aufbau selektiver Verteiler eignen sich Nullpunktlöscher eher als vorgeordnete Schutzgeräte, Strombegrenzer mehr als nachgeordnete.

Überlast- und Überstromschutz Überstromauslöser: Die elektromagnetisch unverzögerten Überstromauslöser sind entweder fest eingestellt oder einstellbar, während die elektronischen Überstromauslöser bei Siemens-Leistungsschaltern grundsätzlich einstellbar sind.

4 – 10

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

4 – Netzschutz

Übersicht über Überstromschutzgeräte für Leitungen und Kabel und deren Schutzbereich.

Bausteine Die Überstromauslöser können entweder im Leistungsschalter eingebaut oder auch als Bausteine gesondert für späteren Einbau oder Austausch geliefert werden. Mögliche Ausnahmen sind den Herstellerangaben zu entnehmen. Überlastauslöser In Netzen mit hohem Oberwellenanteil sind stromabhängig (thermisch) verzögerte, mechanische Überlastauslöser (L-Auslöser) nur bedingt geeignet. In diesem Fall sind Leistungsschalter mit elektronischen Überlastauslösern einzusetzen. Kurzschlussschutz mit S-Auslösern Bei Leistungsschaltern mit stromunabhängig (kurz) verzögerten Überstromauslösern (S) für den zeitselektiven Kurzschlussschutz ist zu beachten, dass die Leistungsschalter für eine bestimmte maximal zulässige thermische und dynamische Belastung ausgelegt sind. Wird durch die Zeitverzögerung diese Belastungsgrenze im Kurzschlussfall überschritten, so muss zusätzlich ein I-Auslöser verwendet werden, um bei sehr hohen Kurzschlussströmen den Leistungsschalter unverzögert auszuschalten. Für die Auswahl sind die Herstellerangaben zu beachten. Wiedereinschaltsperre nach einer Kurzschlussauslösung Einige Leistungsschalter können mit einer mechanischen und/oder elektrischen Wiedereinschaltsperre versehen werden. Sie verhindert, dass nach einer Kurzschlussauslösung eine Wiedereinschaltung auf den Kurzschluss erfolgt. Erst nach Fehlerbeseitigung und Entriegelung der Sperre von Hand kann der Leistungsschalter wieder eingeschaltet werden.

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4 – 11

4 – Netzschutz

Übersicht über die Staffelung von Schutzgeräten in Transformator- und Niederspannungsabzweigen.

Fehlerstrom-/ Differenzstromschutz Fehlerstromschutzeinrichtungen haben wegen der hohen Schutzwirkung (Schutz von Menschenleben und Sachwerten) und des erweiterten Schutzumfangs (wechsel-, pulsstromsensitiv) weltweit in der Schutztechnik eine hohe Bedeutung erlangt. Neben Fehlerstromschutzschaltern werden in Gewerbe und Industrie in zunehmendem Maße auch Schutzschaltgerätekombinationen wie beispielsweise Leitungsschutzschalter mit Fehlerstromauslösung eingesetzt.

Leitungsschutz (LS)-Schalter mit Fehlerstromauslösung Diese Schutzschaltgerätekombinationen stehen als fabrikfertige Kompaktgeräte zur Verfügung oder können aus einem Leitungsschutzschalter als Basisgerät und einem anbaubaren Zusatzbaustein zu der erforderlichen Kombination zusammengesetzt werden.

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Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

4 – Netzschutz Leistungsschalter mit Fehlerstrom-/ Differenzstromauslösung Für Leistungsschalter mit Bemessungsströmen In bis 400 A und Fehlerstrom-/ Differenzstromauslösung hat sich die Kombination aus Leistungsschalter und anbaubarem Zusatzbaustein durchgesetzt. Technische Merkmale: Der anbaubare Zusatzbaustein zur Differenzstromauslösung für den Anlagenschutz verfügt z. B. über folgende technische Merkmale: • Bemessungsdifferenzstrom I∆n in mehreren Stufen einstellbar, z. B.: 30 mA/100 mA/300 mA/1.000 mA/3.000 mA • Auslösezeit ta in mehreren Stufen einstellbar, z. B.: unverzögert/60 ms/100 ms/250 ms/500 ms/1.000 ms • Funktion abhängig von der Netzspannung • Sensitivität: Auslösung bei wechsel- und pulsierenden Gleichfehlerströmen • Reset-Taste “R” für Rückstellung nach einer Differenzstromauslösung • Prüftaste “T” zum Test der Schutzschaltgerätekombination • Zustandsanzeige des aktuellen Ableit-/ Differenzstroms I∆ im nachgeschalteten Stromkreis, z. B. mittels farbiger Leuchtdioden (LED): – grün: I∆ = 0,25 I∆n – gelb: 0,25 I∆n < I∆ = 0,5 I∆n – rot: IA > I∆ > 0,5 I∆n IA = Auslösestrom des Differenzstrom-Zusatzbausteins • Abtrennung des Überspannungsschutzes der Elektronik vor Isolationsmessung in der Anlage • “Fernauslösung (FA)“ • “Hilfsstromschalter (HS)“

Schaltzeichen für Auslöser nach Schutzfunktionen.

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4 – Netzschutz Schnittstelle zu Bussystemen Zum Zwecke der Informationsübertragung und des Zusammenwirkens mit anderen Komponenten der elektrischen Anlage können die Schutzschaltgerätekombinationen mit entsprechenden Schnittstellen zu Bussystemen ausgerüstet werden. Allstromsensitive Schutzschaltgerätekombinationen Für elektrische Industrieanlagen, in denen im Fehlerfall glatte Gleichfehlerströme oder solche mit geringer Restwelligkeit auftreten, sind allstromsensitive Schutzschaltgerätekombinationen für Industrieanwendung erforderlich. Normen Für Leistungsschalter mit anbaubarem Fehlerstrom- oder DifferenzstromZusatzbaustein gelten die Normen IEC 60947-2/DIN VDE 0660-101. Auswahlkriterien für Leistungsschalter Bei der Auswahl der Leistungsschalter hinsichtlich Netzschutz sind folgende Merkmale zu beachten: • Art der Leistungsschalter und ihrer Auslöser nach Schutzfunktionen und -aufgaben • Bemessungsspannungen • Kurzschlussfestigkeit Icu/ Ics sowie Bemessungs-Kurzschlusseinschalt(Icm) und Bemessungs-Kurzschlussausschaltvermögen (Icn) • Bemessungs- und maximale Lastströme Die Netzspannung und Netzfrequenz sind maßgebend für die Auswahl der Schalter nach der • Bemessungsisolationsspannung Ui und der • Bemessungsbetriebsspannung Ue Bemessungsisolationsspannung Ui Die Bemessungsisolationsspannung Ui ist der genormte Wert der Spannung, für den die Isolation der Leistungsschalter und ihrer Zubehörteile nach HD 625/IEC 60664/DIN VDE 0110, Isolationsgruppe C, bemessen ist. Bemessungsbetriebsspannung Ue Die Bemessungsbetriebsspannung Ue eines Leistungsschalters ist der Wert der Spannung, auf den sich das Bemessungs-Kurzschlusseinschaltund Bemessungs-Kurzschlussausschaltvermögen sowie die Kurzschlussleistungskategorie beziehen.

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Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

4 – Netzschutz Kurzschlussstrom Der maximale Kurzschlussstrom an der Einbaustelle ist maßgebend für die Auswahl der Leistungsschalter nach • der Kurzschlussfestigkeit Icu/ Ics sowie • dem Bemessungs-Kurzschlusseinschaltvermögen Icm und dem Bemessungs-Kurzschlussausschaltvermögen Icn Dynamische Kurzschlussfestigkeit Die zulässige dynamische Kurzschlussfestigkeit wird als Stoßkurzschlussstrom angegeben. Es ist der größte Augenblickswert des unbeeinflussten Kurzschlussstroms in der höchstbeanspruchten Strombahn. Thermische Kurzschlussfestigkeit (1-s-Strom) Die zulässige thermische Kurzschlussfestigkeit wird als Bemessungskurzzeitstrom Icw bezeichnet. Es ist der zulässige Strom, den der Leistungsschalter eine bestimmte Zeit lang führen kann, ohne Schaden zu nehmen. Normalerweise wird der Icw-Strom immer auf 1 s bezogen. Zeitwerte größer 1 s können mit Icw = konstant umgerechnet werden. Bemessungsschaltvermögen Das Bemessungsschaltvermögen der Leistungsschalter wird als Bemessungs-Kurzschlusseinschaltvermögen Icm und BemessungsKurzschlussausschaltvermögen Icn angegeben. Bemessungs-Kurzschlusseinschaltvermögen Icm Das Bemessungs-Kurzschlusseinschaltvermögen Icm ist der Kurzschlussstrom, den der Leistungsschalter bei Bemessungsbetriebsspannung +10 %, Bemessungsfrequenz und festgelegtem Leistungsfaktor einschalten kann. Es wird durch den maximalen Scheitelwert des unbeeinflussten Kurzschlussstroms ausgedrückt und ist mindestens gleich dem Bemessungs-Kurzschlussausschaltvermögen Icn multipliziert mit dem Faktor n aus der Tabelle.

Verhältnis n zwischen Kurzschlussein- und -ausschaltvermögen und zugehörigem Leistungsfaktor (bei Wechselspannungsleistungsschaltern).

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4 – Netzschutz Bemessungs-Kurzschlussausschaltvermögen Icn Das Bemessungs-Kurzschlussausschaltvermögen Icn ist der Kurzschlussstrom, den der Leistungsschalter bei Bemessungsbetriebsspannung +10 %, Bemessungsfrequenz und festgelegtem Leistungsfaktor cos ϕ ausschalten kann. Es wird durch den Effektivwert der Wechselstromkomponente ausgedrückt. Schaltleistungskategorie In IEC 60947/DIN VDE 0660 und nach IEC 157-1 sind für Leistungsschalter Schaltleistungskategorien festgelegt, die angeben, wie oft ein Leistungsschalter seinen Bemessungsstrom schalten kann und in welchem Zustand sich der Schalter nach dem angegebenen Schaltzyklus befinden muss. Hiernach wird dem angegebenen BemessungsKurzschlussausschaltvermögen Icn die Prüffolge O-t-CO-t-CO zugrunde gelegt. Zusätzlich kann noch das Bemessungs-BetriebsgrenzkurzschlussAusschaltvermögen Ics nach der verkürzten Schaltfolge O-t-CO angegeben werden.

Schaltungsleistungskategorien nach IEC 60947/DIN VDE 0660 und IEC 157-1.

Bemessungsströme von Leistungsschaltern Die Bemessungsbetriebsart wie Dauerbetrieb, Aussetzbetrieb oder Kurzzeitbetrieb ist maßgebend für die Auswahl der Schaltgeräte nach deren Bemessungsströmen. Nach dem thermischen Verhalten werden folgende Bemessungsströme unterschieden: • Konventioneller thermischer Bemessungsstrom Ith • Bemessungsdauerstrom Iu • Bemessungsbetriebsstrom Ie

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4 – Netzschutz Konventioneller thermischer Bemessungsstrom Ith und Bemessungsdauerstrom Iu Der konventionelle thermische Bemessungsstrom Ith oder Ithe für Motorstarter im Gehäuse ist als 8-h-Strom entsprechend IEC 60947-1, -4-1, -3/ DIN VDE 0660-100, -102, -107 definiert. Er ist der maximale Strom, der in dieser Zeit geführt werden kann, ohne dass die Grenztemperatur überschritten wird. Der Bemessungsdauerstrom Iu kann entsprechend unbegrenzt geführt werden. Bei einstellbaren, stromabhängig verzögerten Auslösern und Relais ist der höchste Einstellstrom der Bemessungsdauerstrom Iu.

Anwendungsbeispiele für Siemens-Leistungsschalter und die hierfür charakteristischen Auslösekennlinien.

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4 – Netzschutz Bemessungsbetriebsstrom Der Bemessungsbetriebsstrom Ie ist der Strom, der bestimmt wird durch • die Einsatzbedingungen des Schaltgeräts, • die Bemessungsbetriebsspannung, • die Bemessungsfrequenz, • das Bemessungsschaltvermögen, • die Bemessungsbetriebsart, • die Gebrauchskategorie (Die Gebrauchskategorie kennzeichnet Verwendungszweck und Beanspruchung der Schaltgeräte; siehe Gerätenormen IEC 60947 / DINVDE0660), • die Schaltstücklebensdauer, • die Schutzart.

Schaltkombinationen Schaltkombinationen sind Reihenschaltungen verschiedener Schalt- und Schutzgeräte mit Aufgabenteilung für den Schutz einer Netzkomponente, wobei das erste Gerät, in Energierichtung gesehen, den Kurzschlussschutz übernimmt.

Schaltkombinationen mit Sicherungen Sicherung und Kompakt-Leistungsschalter Ist an der Einbaustelle des Leistungsschalters ein Kurzschlussstrom Ik zu erwarten, der das Bemessungs-Kurzschlussausschaltvermögen Icn des Schalters übersteigt, müssen dem Schalter Sicherungen vorgeschaltet werden.

Schaltkombination aus Sicherung und Leistungsschalter.

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Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

4 – Netzschutz Schutz und Wirkungsbereich Jedem Gerät der Schaltkombination ist ein bestimmter Schutz- und Wirkungsbereich zugeordnet. Überlastströme überwacht der L-Auslöser, Kurzschlussströme bis etwa zum BemessungsKurzschlussausschaltvermögen des Schalters erfasst der I-Auslöser. Der Leistungsschalter übernimmt den Schutz gegen alle Überströme bis zu seinem Bemessungs-Kurzschlussausschaltvermögen Icn und gewährleistet allpoliges Ausschalten und Wiedereinschaltbereitschaft. Erst bei höheren Kurzschlussströmen Ik übernehmen die Sicherungen die Kurzschlussausschaltung. Dabei schaltet der Leistungsschalter nahezu gleichzeitig, ausgelöst durch den Durchlassstrom ID der Sicherung, über seinen I-Auslöser ebenfalls allpolig aus. Die Sicherung muss daher so gewählt werden, dass ihr Durchlassstrom ID kleiner als das BemessungsKurzschlussausschaltvermögen Icn des Leistungsschalters ist. Sicherung, Schütz und thermisch stromabhängig verzögertes Überlastrelais Die Schaltkombination Schütz und Überlastrelais wird Motorstarter genannt, bei Direktanlauf eines Drehstrommotors auch Direktstarter. Das Schütz wird zum Ein- und Ausschalten des Motors verwendet. Den Schutz gegen Überlastung des Motors, der Motorzuleitung und des Schützes übernimmt das Überlastrelais, den Kurzschlussschutz die dem Schütz und Überlastrelais vorgeschaltete Sicherung. Hierbei müssen die Schutzbereiche und Eigenschaften aller Komponenten sorgfältig aufeinander abgestimmt sein.

Staffeldiagramm: Schaltkombination bestehend aus Sicherung, Schütz und thermisch stromabhängig verzögertem Überlastrelais.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

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4 – Netzschutz Bestimmungen für Schütze und Motorstarter Für Schütze und Motorstarter bis 1.000 V zum direkten Einschalten (unter voller Spannung) gelten die Normen IEC 60947-4-1/DIN VDE 0660-102. Bei der Zuordnung von Kurzschlussstrom-Schutzeinrichtungen für Schaltkombinationen werden je nach zugelassenem Schädigungsgrad nach IEC 60947-4-1/DIN VDE 0660-102 verschiedene Arten des Schutzes unterschieden: • Zuordnungsart 1: Die Zerstörung des Schützes und des Überlastrelais ist zulässig. Das Schütz und/oder Überlastrelais ist, falls erforderlich, zu ersetzen. • Zuordnungsart 2: Am Überlastrelais dürfen keine Beschädigungen auftreten. Kontaktverschweißungen am Schütz sind jedoch zulässig, wenn sie leicht getrennt werden können oder wenn das Schütz leicht ersetzt werden kann. Schutz- und Wirkungsbereiche der Geräte Staffeldiagramm für einen Motorstarter Im Staffeldiagramm sind die Schutzbereiche und die hierfür wichtigen Eigenschaften der Geräte einer Schaltkombination als Motorstarter eingetragen. In dieser Schaltkombination müssen die Sicherungen mehrere Bedingungen erfüllen: • Die Zeit-Strom-Kennlinien von Sicherungen und Überlastrelais müssen das Hochlaufen des Motors ermöglichen. • Die Sicherungen müssen das Überlastrelais vor Zerstörung durch Ströme schützen, die etwa den 10-fachen Bemessungsstrom des Relais übersteigen. • Die Sicherungen müssen das Ausschalten von Überströmen übernehmen, die das Schütz nicht mehr beherrschen kann (Ströme über dem etwa 10-fachen Bemessungsbetriebsstrom Ie des Schützes). • Die Sicherungen müssen das Schütz im Kurzschlussfall so schützen, dass keine Zerstörung über die vorgenannten Schädigungsgrade hinaus auftreten kann. Schütze müssen je nach Bemessungsbetriebsstrom Ie Motor-Einschaltströme in Höhe des 8- bis12-fachen des Bemessungsbetriebsstroms Ie ohne Verschweißen der Schaltstücke aushalten können. Zur Erfüllung dieser Bedingungen müssen im Staffeldiagramm Sicherheitsabstände (A, B und C) zwischen bestimmten Kennlinien der Geräte eingehalten werden. Schutz des Überlastrelais: Zum Schutz des Überlastrelais muss die Schmelzzeit-Strom-Kennlinie der Sicherung (in diesem Beispiel eine NH-Schaltgeräteschutzsicherung der Betriebsklasse aM) im Abstand A unterhalb des Schnittpunkts der Auslösekennlinie des Überlastrelais (1) mit dessen Zerstörungskennlinie (2) verlaufen.

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Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

4 – Netzschutz Schutz des Schützes: Zum Schutz des Schützes vor zu hohem Ausschaltstrom muss die Schmelzzeit-Strom-Kennlinie der Sicherung ab dem Stromwert, der dem Ausschaltvermögen des Schützes (3) entspricht, im Abstand B unterhalb der Auslösekennlinie des Überlastrelais (1) verlaufen. Zum Schutz des Schützes vor Schaltstückverschweißen lassen sich für jedes Schütz Zeit-Strom-Kennlinien angeben, bis zu denen Belastungsströme anstehen können, die entweder zu - keinem Verschweißen oder - leicht aufbrechbarem Verschweißen (Kennlinie 4) führen. Die Sicherung muss daher in beiden Fällen rechtzeitig ausschalten. Die Gesamtausschaltzeit-Kennlinie der Sicherung (6) muss im Abstand C unterhalb der Kennlinie des Schützes für leicht aufbrechbares Verschweißen der Schaltstücke (4) verlaufen (Gesamtausschaltzeit = Summe aus Schmelz- und Löschzeit).

Auswahl der Sicherungen NH-Schaltgeräteschutzsicherungen Sicherungen für Motorstarter werden nach vorgenannten Kriterien ausgewählt. NH-Schaltgeräteschutzsicherungen der Betriebsklasse aM bieten gegenüber NH-Sicherungen der Betriebsklasse gL für den Kabelund Leitungsschutz den Vorteil des verschweißfreien Kurzschlussschutzes bei voller Nutzung der von den Schützen schaltbaren Motorleistung. Durch ihre im Verhältnis zu den Leitungsschutzsicherungen wirkungsvollere Strombegrenzung entlasten sie sehr stark Schütze von hohen Stoßkurzschlussströmen ip, denn sie sind im oberen Kurzschlussbereich flinker, wie der Vergleich in der Grafik zeigt.

Vergleich der Schmelzzeit-Strom-Kennlinien von NH-Sicherungen der Betriebsklasse gL und aM, Bemessungsstrom 200 A.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

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4 – Netzschutz Bei höheren Betriebsströmen mit entsprechend geringer Dämpfung der Kurzschlussströme werden daher bei Relais-Einstellwerten > 80 A Schaltgeräteschutzsicherungen gegenüber Leitungsschutzsicherungen bevorzugt eingesetzt.

Klassifikation der NH-Sicherungen nach Funktionsmerkmalen gemäß IEC 60269-1/DIN VDE 0636-10.

Klassifikation der NH-Sicherungen mit Kennlinienvergleich zwischen den Betriebsklassen gL und aM NH-Sicherungen werden entsprechend ihrer Bauart nach Funktions- und Betriebsklassen unterschieden. Sie können Ströme bis zu ihrem Bemessungsstrom dauernd führen. Funktionsklasse g (Ganzbereichssicherungen): Die Funktionsklasse g kennzeichnet Ganzbereichssicherungen, die Ströme vom kleinsten Schmelzstrom bis zum Bemessungs-Kurzschlussausschaltstrom ausschalten können. Betriebsklasse gL: Hierunter fallen die Sicherungen der Betriebsklasse gL für den Kabel- und Leitungsschutz. Funktionsklasse a (Teilbereichssicherungen): Die Funktionsklasse a kennzeichnet Teilbereichssicherungen, die Ströme oberhalb eines bestimmten Vielfachen ihres Bemessungsstroms bis zum Bemessungs-Kurzschlussausschaltstrom ausschalten können.

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4 – Netzschutz Betriebsklasse aM: Der Betriebsklasse aM sind die Schaltgeräteschutzsicherungen zuzuordnen, deren kleinster Ausschaltstrom beim etwa 4-Fachen des Bemessungsstroms liegt und die daher allein dem Kurzschlussschutz dienen. Sicherungen der Funktionsklasse a dürfen deshalb nicht über ihrem Bemessungsstrom betrieben werden. Ein Überlastschutz, z. B. ein thermisch verzögertes Überlastrelais, ist daher immer erforderlich. Schaltkombinationen ohne Sicherungen (sicherungslose Bauweise) Backup-Schutz (Leistungsschalter in Kaskadenschaltung): Liegen in einer Strombahn zwei Leistungsschalter mit I-Auslösern gleicher Bauart in Reihe, dann schalten diese beim Fehler K nahe dem Verteiler gleichzeitig aus. Der Kurzschlussstrom wird somit von zwei hintereinanderliegenden Löscheinrichtungen erfasst und wirkungsvoll gelöscht. Ist der vorgeordnete Leistungsschalter dabei strombegrenzend, so kann der nachgeordnete Schalter mit einem niedrigeren Bemessungsschaltvermögen als dem möglichen maximalen Kurzschlussstrom an der Einbaustelle eingesetzt werden.

Prinzip einer Backup-Schutz-Schaltung (Kaskadenschaltung): Der Bemessungsstrom des vorgeordneten Leistungsschalters Q2 wird entsprechend seinem Bemessungsbetriebsstrom ausgewählt.

Übersichtsplan einer Backup-SchutzSchaltung (Kaskadenschaltung) in einem Unterverteiler.

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4 – Netzschutz Schutz- und Wirkungsbereich der Schalter: Die voranstehenden beiden Grafiken zeigen den Übersichtsplan und das Prinzip einer Kaskadenschaltung. Der Bemessungsstrom des vorgeordneten Leistungsschalters Q2 wird entsprechend seines Bemessungsbetriebsstroms ausgewählt. Der Leistungsschalter Q2 wird beispielsweise als Hauptschalter oder als Gruppenschalter für mehrere Abzweige in Unterverteilern eingesetzt. Der Ansprechstrom seines I-Auslösers wird sehr hoch, wenn möglich bis zum Bemessungs-Kurzschlussausschaltvermögen (Icn) der nachgeordneten Schalter eingestellt. Der Abzweigschalter Q1 übernimmt den Überlastschutz und schaltet auch kleinere Kurzschlussströme allein ab, die bei Körperschluss, Isolationsfehlern oder Kurzschlüssen am Ende längerer Leitungen und Kabel auftreten. Nur bei hohen Kurzschlussströmen, die bei einem satten Kurzschluss in der Nähe des Abzweigschalters Q1 zu erwarten sind, schaltet der vorgeordnete Schalter Q2 mit ab (eingeschränkte Selektivität).

Leistungsschalter mit L- und I-Auslösern sowie Schütz Schutz- und Wirkungsbereich: Der Leistungsschalter übernimmt den Überlast- und Kurzschlussschutz auch des Schützes, das Schütz die Schaltaufgaben. Es gelten auch hier die Bedingungen für den Leistungsschalter, die im Rahmen der Schaltkombination “Sicherung, Schütz und Überlastrelais“ an die Sicherung zu stellen sind.

Schaltkombination aus Leistungsschalter und Schütz.

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4 – Netzschutz Starterschutzschalter mit I-Auslöser, Schütz und Überlastrelais Wiedereinschaltbereitschaft: Den Überlastschutz übernimmt das Überlastrelais in Verbindung mit dem Schütz, den Kurzschlussschutz der Starterschutzschalter. Der Ansprechstrom seines I-Auslösers wird so niedrig eingestellt, wie es der Einschaltvorgang zulässt, um auch kleine Kurzschlussströme in die schnelle Ausschaltung mit einzubeziehen. Diese Schaltkombination bietet den Vorteil, dass festgestellt werden kann, ob Überlast oder Kurzschluss vorlag, je nachdem, ob das Schütz durch das Überlastrelais oder der Starterschutzschalter ausgeschaltet hat. Der Starterschutzschalter bietet darüber hinaus nach einer Kurzschlussauslösung den Vorteil des 3-poligen Trennens und der Wiedereinschaltbereitschaft. Die Schaltkombination mit dem Starterschutzschalter gewinnt im Rahmen sicherungsloser Steuerungen an Bedeutung.

Schaltkombination aus Leistungsschalter mit einstellbarem Überstromauslöser, Schütz und Überlastrelais.

Schaltkombinationen mit Thermistor-Motorschutzgeräten Die Grenzen des Überlastschutzes durch Überlastrelais oder -auslöser liegen dort, wo aus dem Motorstrom nicht mehr auf die Wicklungstemperatur geschlossen werden kann. Das ist der Fall bei • hoher Schalthäufigkeit, • unregelmäßigem Aussetzbetrieb, • behinderter Kühlung, • erhöhter Umgebungstemperatur.

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4 – Netzschutz In diesen Fällen werden Schaltkombinationen mit ThermistorMotorschutzgeräten eingesetzt. Je nach Anlagenkonzept werden die Schaltkombinationen mit oder ohne Sicherungen aufgebaut. Der erreichbare Schutzumfang ist davon abhängig, ob der zu schützende Motor “ständerkritisch“ oder “läuferkritisch“ ist. Ansprechtemperatur, Koppelzeitkonstante und Lage der Temperaturfühler in der Motorwicklung spielen dabei ebenfalls eine wesentliche Rolle. Diese werden in der Regel vom Motorhersteller festgelegt. “Ständerkritische“ Motoren “Ständerkritische“ Motoren können mit Thermistor-Motorschutzgeräten und Überlastrelais ausreichend gegen Überlastung und Übertemperatur geschützt werden. Der Kurzschluss- und Überlastschutz der Zuleitungen ist entweder durch Sicherungen und Leistungsschalter (in der Grafik a) oder durch Sicherungen alleine (in der Grafik b) sicherzustellen. “Läuferkritische“ Motoren “Läuferkritische“ Motoren können nur mit einem zusätzlichen Überlastrelais oder -auslöser auch bei Zuschalten mit festgebremstem Läufer ausreichend geschützt werden. Das Überlastrelais bzw. der -auslöser übernimmt dabei auch den Überlastschutz der Leitungen (in der Grafik a, c und d).

Schaltkombination mit Thermistor-Motorschutzgerät und mit zusätzlichem Überlastrelais oder -auslöser (Prinzipschaltplan).

Hinweis: Für Motoren ist der Einsatz eines elektronischen Motorschutzsystems wie z.B. Simocode (mit und ohne Thermistorschutz) zu empfehlen. Vorteile: breites Leistungsspektrum, umfangreiche Steuerfunktionen, bustechnische Anbindung (Profibus DP), etc.

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4 – Netzschutz Auswahl der Schutzgeräte Kurzschlussschutz der Abzweige Abzweige in Verteilern und Steuerungen können zum Kurzschlussschutz mit Sicherungen oder sicherungslos mit Leistungsschaltern ausgerüstet werden. Bei der Auswahl der Schutzgeräte kann die Höhe der zu erwartenden Strombegrenzung, die bei Sicherungen kleiner Bemessungsströme größer ist als bei bemessungsstromgleichen, strombegrenzenden Leistungsschaltern, mitentscheidend für die eine oder andere Lösung sein. Vergleich der Schutzeigenschaften von Sicherungen und strombegrenzenden Leistungsschaltern Beim Vergleich der Schutzeigenschaften von Sicherungen und Leistungsschaltern ist zu beachten: • das Bemessungs-Kurzschlussausschaltvermögen, das sehr unterschiedlich sein kann • die Höhe der Strombegrenzung, die bei Sicherungen bis 400 A stets größer ist als bei bemessungsstromgleichen, strombegrenzenden Leistungsschaltern • der Verlauf der Schmelzzeit-Strom-Kennlinien bei Sicherungen und der Auslösekennlinien bei Schaltern • die Abschaltbedingungen nach IEC 60364-4-41/DIN VDE 0100-410, Abschnitt 6.1.3 “Schutzmaßnahmen im TN-System“ (Siehe auch Seip, Günther G. (Hrsg.): Elektrische Installationstechnik, 4. Aufl., Erlangen, 2000, Kap. 2) Vergleich der Strombegrenzung von NH-Sicherungen und Leistungsschaltern Die nachfolgende Grafik (links) zeigt die strombegrenzende Wirkung eines Leistungsschalters, Bemessungsdauerstrom 63 A, bei 400 V, 50 Hz im Vergleich mit den NH-Sicherungen, Typ 3NA, Betriebsklasse gL, Bemessungsströme 63 A und 100 A. Wegen der hohen Motoranlaufströme muss der Bemessungsstrom der Sicherung jedoch höher liegen als der Bemessungsbetriebsstrom des Motors, d. h., für einen 30-kW-Motor ist mindestens ein 63-A-Leistungsschalter oder eine 100-A-Sicherung vorzusehen. Vergleich der Auslösekennlinien zwischen Sicherungen und bemessungsstromgleichen Leistungsschaltern Im Zeit-Strom-Diagramm, (nachfolgende Grafik rechts), sind die Schmelzzeit-Strom-Kennlinie a des Sicherungseinsatzes 63 A, Betriebsklasse gL und die LI-Auslösekennlinie b eines Leistungsschalters eingetragen. Der Einstellstrom des stromabhängig verzögerten Überlastauslösers des Leistungsschalters entspricht dem Bemessungsstrom des Sicherungseinsatzes.

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4 – Netzschutz

Strombegrenzung von Leistungsschalter Kennlinien und Bemessungsschalt(63 A) und NH-Sicherungen vermögen von Sicherung (a) und (63 A bzw. 100 A). Leistungsschalter (b) mit LI-Auslösern.

Grenzstrombereich (1) Der Prüfbereich für Sicherungsströme (A) liegt z. B. zwischen dem 1,3und 1,6-fachen Bemessungsstrom, der Prüfbereich für Grenzauslöseströme des Überlastauslösers (B) dagegen zwischen dem 1,05- und 1,2-fachen Einstellstrom. Mit dem einstellbaren Überlastauslöser kann sein Einstellstrom und damit der Grenzauslösestrom der Dauerbelastbarkeit des Schutzobjekts besser angepasst werden als mit einer Sicherung, deren Bemessungsstromabstufung demgegenüber nur eine grobe Anpassung ermöglicht. Der Grenzstrom der Sicherung reicht für den Überlastschutz von Kabeln und Leitungen aus, nicht jedoch für den Anlaufstrom von Motoren. Hierfür müsste eine Sicherungskennlinie a’ betrachtet werden. Überlastbereich (2) Im Überlastbereich verläuft die Schmelzzeit-Strom-Kennlinie der Sicherung steiler als die Auslösekennlinie des Überlastauslösers. Dies ist für den Überlastschutz von Kabeln und Leitungen erwünscht; für den Überlastschutz von Motoren jedoch ist die träge Auslösekennlinie b erforderlich. Kurzschlussstrombereich (3) Im Kurzschlussstrombereich erfasst der unverzögerte Auslöser des Leistungsschalters Kurzschlussströme ab seinem Ansprechwert rascher als die Sicherung. Höhere Ströme schaltet die Sicherung schneller ab. Dementsprechend begrenzt sie den Kurzschlussstrom stärker als ein Schalter. Daraus ergibt sich für Sicherungen das extrem hohe Bemessungsausschaltvermögen von über 100 kA bei 690 V Betriebswechselspannung.

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4 – Netzschutz Demgegenüber ist das Bemessungs-Kurzschlussauschaltvermögen Icn von Leistungsschaltern von einer Anzahl von Faktoren abhängig, z. B. von der Bemessungsbetriebsspannung Ue und der Bauart.

Vergleich der Schutzeigenschaften von Sicherung und Leistungsschalter.

Auswahl von Leistungsschaltern für Stromkreise mit und ohne Sicherungen Stromkreise und Steuerungen kann man mit Sicherungen oder ohne Sicherungen bauen. Stromkreise mit Sicherungen (sicherungsbehaftete Bauweise): In der klassischen Bauweise mit Sicherungen werden für den Anlagenschutz Sicherungslasttrennschalter, Lasttrennschalter mit Sicherungen und Sicherungen mit Sockel eingesetzt. Der Einspeiseschalter übernimmt den Überlast- und den selektiven Kurzschlussschutz des Transformators und Verteilers. Hierfür ist der Siemens-Leistungsschalter Sentron 3WL geeignet.

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4 – Netzschutz Für Transformatoren kleiner Bemessungsleistung und/oder wenn keine Selektivität gefordert wird, kann auch ein Kompaktleistungsschalter Sentron 3VL eingesetzt werden. Die Sicherung für den Anlagenschutz übernimmt den Überlast- und Kurzschlussschutz der Leitung sowohl zum Unterverteiler als auch zum nicht motorischen Endverbraucher. Die Schaltkombinationen aus Sicherung und Schalter für den Motorschutz sowie Sicherungen, Schütz und Überlastrelais übernehmen den Überlastund Kurzschlussschutz der Motorzuleitung und des Motors. Stromkreise ohne Sicherungen (sicherungslose Bauweise): Bei Verteilern ohne Sicherungen werden zum Kurzschlussschutz Leistungsschalter für den Anlagenschutz und als Verbraucherschalter, Leistungsschalter für den Motorschutz alleine oder für Starterkombinationen zusammen mit dem Schütz vorgesehen.

Verteiler mit Sicherungen und Leistungsschaltern.

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Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

4 – Netzschutz

Energieverteilung mit Leistungsschalter ohne Sicherungen.

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4 – Netzschutz

Vergleich der Schutzeigenschaften von Schaltkombinationen (Prinzipschaltpläne).

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4 – Netzschutz Leitungsschutzschalter Leitungsschutzschalter (LS-Schalter) dienen in erster Linie dem Schutz von Kabeln und Leitungen gegen Überlast und Kurzschluss. Damit übernehmen sie den Schutz elektrischer Betriebsmittel gegen zu hohe Erwärmung nach den relevanten Normen, z. B. IEC 60364-4-43 / DIN VDE 0100-430. Unter bestimmten Voraussetzungen gewährleisten LS-Schalter im TN-System auch den Schutz gegen elektrischen Schlag bei zu hoher Berührungsspannung durch Isolationsfehler, z. B. nach IEC 364-4-41 / DIN VDE 0100-410. Einsatz LS-Schalter werden in allen Verteilungsnetzen sowohl im Zweckbau als auch in der Industrie eingesetzt. Den vielfältigen Anforderungen der unterschiedlichen Anwendungsgebiete und -fälle werden sie durch verschiedene Ausführungen und mithilfe von umfassendem Zubehör gerecht, z. B. Hilfsstrom- und Fehlersignalschaltern, Arbeitsstromauslösern usw. Auslösecharakteristik Je nach Anwendungsfall, bezogen auf das im zu schützenden Stromkreis angeschlossene Betriebsmittel, stehen vier Auslösecharakteristiken (A, B, C und D) zur Verfügung. • Auslösecharakteristik A eignet sich besonders für den Schutz von Wandlern in Messkreisen, für Stromkreise mit elektronischer Regelung sowie bei der Forderung nach Abschalten innerhalb 0,4 s nach IEC 60364-4-41 / DIN VDE 0100-410. • Auslösecharakteristik B ist die Standardcharakteristik für Steckdosenstromkreise im Wohn- und Zweckbau. • Auslösecharakteristik C ist von Vorteil beim Einsatz von Betriebsmitteln mit höheren Einschaltströmen, wie z. B. Lampen und Motoren. • Auslösecharakteristik D ist angepasst an stark impulserzeugende Betriebsmittel wie Transformatoren, Magnetventile oder Kondensatoren. Wirkungsweise Leitungsschutzschalter sind Schutzschalter für Handbetätigung mit Überstrom-Fernauslösung (thermischer Überstrom-Schnellauslöser). Mehrpolige Geräte sind außen mechanisch über die Griffe und gleichzeitig innen über die Auslöser gekoppelt.

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4 – Netzschutz

Prinzipdarstellung der Bezugswerte von Leitungen und Schutzeinrichtung.

Normen Internationale Basis-Norm ist IEC 60898. Darauf beruht die nationale Norm DIN VDE 0641-11. Die Baugrößen sind in DIN 43880 beschrieben. Für den Personenschutz sind die relevanten Normen, z. B. für die Abschaltbedingungen nach IEC 60364-4-41 / DIN VDE 0100-410, einzuhalten. Ausführungen LS-Schalter gibt es in den verschiedensten Ausführungen: 1-polig, 2polig, 3-polig und 4-polig sowie mit geschaltetem Neutralleiter 1-polig+N und 3-polig+N. Gemäß der Vorzugsreihe nach IEC 60898 und nach DIN 43880 sind den LS-Schaltern folgende Bemessungsströme zugeordnet: • Geräte mit Bautiefe 55mm 0,3 A bis 63 A • Geräte mit Bautiefe 70mm 0,3 A bis 125 A Nachträglich anbaubar sind je nach Gerätebauart Hilfsstromschalter (HS), Fehlersignalschalter (FS), Arbeitsstromauslöser (AA), Unterspannungsauslöser (UA) und Fehlerstrom-Schutzeinrichtungsblock (FI-Block).

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4 – Netzschutz Durch den Anbau eines FI-Blocks an den LS-Schalter erhält man eine FI/LSKombination, die als komplettes System sowohl Leitungsschutz als auch Schutz gegen elektrisch gezündete Brände sowie Personenschutz beim indirekten und direkten Berühren bietet. Hilfsstromschalter melden den Schaltzustand des LS-Schalters und geben Auskunft darüber, ob eine Hand- oder automatische Ausschaltung vorgenommen wurde. Fehlersignalschalter zeigen die Ausschaltung des LSSchalters durch Überlast oder Kurzschluss an. Arbeitsstromauslöser sind zur Fernschaltung von LS-Schaltern geeignet. Unterspannungsauslöser schützen im Stromkreis liegende Verbraucher gegen die Auswirkungen einer zu niedrigen Versorgungsspannung. Durch Anschluss des Hilfsstromschalters und Fehlersignalschalters an einen instabus KNX/EIB-Binäreingang können die Signale auch in ein instabus KNX/EIB-System (z. B. GAMMA instabus) eingelesen werden. Mittels instabus KNX/EIB-Binärausgang kann über den Arbeitsstromauslöser der LS-Schalter auch über instabus KNX/EIB fernausgelöst werden. Je nach Bauart haben Siemens-LSSchalter folgende weitere Merkmale: • sehr gute Strombegrenzung und Selektivität • beidseitig identische Klemmen zum wahlweisen Einspeisen oben oder unten • werkzeuglose Montage und Demontage • schnelles und einfaches Lösen aus dem Verbund möglich • Finger- und Handrückensicherheit der Klemmen nach VDE 0106-100 • Kombiklemmen zum gleichzeitigen Anschließen von Sammelschienen und Zuleitungen • Hauptschaltereigenschaften nach IEC 60204 / VDE 0113 • separate Schaltstellungsanzeige LS-Schalter in Wechselstromausführung sind für alle Wechsel- und Drehstromnetze bis zu einer Spannung 240/415 V und alle Gleichstromnetze bis 60 V (1-polig) und 120 V (2-polig) geeignet. Die Bemessungsspannung der LS-Schalter beträgt AC 230/400 V. LS-Schalter in Allstromausführung sind auch für DC 220 V (1-polig) und DC 440 V (2-polig) einsetzbar. Damit im Fehlerfall die Leiterisolierungen nicht beschädigt werden, dürfen die Temperaturen bestimmte Werte nicht überschreiten. Dies sind für PVC-Isolierungen dauernd 70 °C bzw. 160 °C für maximal 5 s (Kurzschlussfall). Für den Überstromschutz der Leitungen haben die LS-Schalter üblicherweise zwei unabhängige Auslöser. Im Überlastfall schaltet ein Bimetall entsprechend der Stromstärke zeitverzögert ab. Ist jedoch ein bestimmter

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4 – Netzschutz Schwellwert im Kurzschlussfall überschritten, schaltet ein elektromagnetischer Überstromauslöser sofort ohne Verzögerung ab. Der Auslösebereich (Zeit-Strom-Grenzband) der LS-Schalter nach IEC 60898 / DIN VDE 064111 wird über Kenngrößen I1 bis I5 festgelegt. Die Kenngrößen Ib, Iz der Leitung stehen dazu in Beziehung. Mit dem Erscheinen der Norm IEC 60898 sind international neue Charakteristiken B, C und D festgelegt worden. Diese wurden auch von DIN VDE 0641-11 übernommen. Die neuen Auslösebedingungen der LS-Schalter erleichtern die Zuordnung zu den Leiterquerschnitten. In den relevanten Normen, beispielsweise IEC 60364-4-43 / DIN VDE 0100-430, sind folgende Bedingungen aufgeführt: Bemessungsstromregel: Ib ≤ In ≤ Iz Auslösestromregel: I2 ≤ 1,45 • Iz Da bei den neuen Kennlinien die zweite Bedingung durch die Kennlinienfestlegung automatisch erfüllt ist (Iz = In gesetzt), braucht der LS-Schalter nur noch nach der vereinfachten Beziehung In ≤ Iz ausgewählt zu werden.

Zeit-StromGrenzbereiche von LS-Schaltern.

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4 – Netzschutz

Zuordnung von Leitungsschutzschaltern zu Leiterquerschnitten Beispiel: Stegleitung, mehradrige Leitung auf bzw. in der Wand, Verlegeart C*) bei + 30 ºC Umgebungstemperatur * Verlegeart C nach IEC 60364-5-52 / DIN VDE 0298-4: Die Leitungen sind dabei so befestigt, dass der Abstand zwischen ihnen und der Wandoberfläche kleiner als der 0,3-fache Außendurchmesser der Leitungen ist.

Daraus folgend kann eine neue Zuordnung zwischen Bemessungsströmen von LS-Schaltern und Leiterquerschnitten angegeben werden, bezogen auf eine Umgebungstemperatur von + 30 °C, wie sie nach IEC 60364-4-43 / DIN VDE 0100-430 gilt, und in Abhängigkeit der Verlegart und -häufung. Siemens-LS-Schalter stehen dem Anwender mit den Auslösecharakteristiken B, C und D unter anderem mit dem VDEZeichen auf Basis des CCA-Verfahrens (CENELEC-Certification-Agreement) zur Verfügung. Aufgrund der Lage der Auslösebänder nimmt von Kennlinie A nach D • die Strompulsfestigkeit zu, • die zulässige Leitungslänge für den Personenschutz ab.

Temperatureinfluss Die Auslösekennlinien sind nach den Normen bei einer Umgebungstemperatur von +30 °C definiert. Bei höheren Temperaturen verschiebt sich die thermische Auslösekennlinie in der Grafik nach links, bei tieferen Temperaturen nach rechts. Das bedeutet, dass die Auslösung schon bei niedrigeren Strömen (höhere Temperatur) oder erst bei höheren Strömen (niedrigere Temperatur) wirksam wird. Dies ist besonders zu beachten in heißen Räumen bei Einbau in gekapselte Verteiler, in denen sich durch die Stromwärmeverluste der eingebauten Geräte höhere Temperaturen ergeben können, und bei im Freien stehenden Verteilern. LS-Schalter können bei Temperaturen von –25 °C bis +55 °C eingesetzt werden. Die relative Luftfeuchtigkeit darf 95 % betragen.

Klimabeständigkeit Siemens-LS-Schalter sind gemäß der Norm IEC 68-2-30 klimabeständig. Sie wurden mit sechs Klimazyklen erfolgreich geprüft.

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4 – Netzschutz Schutzart Da LS-Schalter vorwiegend in Verteiler eingebaut werden, muss ihre Schutzart den Anforderungen der jeweiligen Raumart entsprechen. LSSchalter außerhalb einer Kapselung erreichen mit entsprechenden Klemmenabdeckungen die Schutzart IP30 nach IEC 60529 / DIN VDE 0470-1. Alle LS-Schalter sind mit einer Schnappbefestigung für die schnelle Montage auf 45 mm breiten Hutschienen nach DIN EN 50022 ausgerüstet. EinigeAusführungen lassen zusätzlich das Aufschrauben auf Montageplatten zu. Montage Bei einigen Reihen steht ein werkzeuglos von Hand zu betätigendes Schnellmontage- und -lösesystem zur Verfügung, welches sogar das Lösen von einzelnen LS-Schaltern aus dem verschienten Verbund ermöglicht. Bemessungsschaltvermögen Ein wesentliches Leistungsmerkmal der LS-Schalter ist neben der Kennlinientreue das Bemessungsschaltvermögen. Die Einteilung erfolgt nach IEC 60898/DIN VDE 0641-11 in Schaltvermögensklassen und gibt Auskunft darüber, bis zu welcher Höhe Kurzschlussströme abgeschaltet werden können. Siemens-LSSchalter bieten je nach Ausführung Bemessungsschaltvermögenswerte bis zu 25.000 A mit VDE-Approbation.

Bemessungsschaltvermögensklassen bei Leitungsschutzschaltern.

Energiebegrenzungsklassen Als Aussage über die Selektivität zu vorgeschalteten Sicherungen werden LS-Schalter der Charakteristiken B und C bis 40 A entsprechend dem Grad ihrer Strombegrenzung in drei Energiebegrenzungsklassen eingeteilt. Die zulässigen Durchlass-I2t-Werte sind den Normen IEC 60898 / DIN VDE 0641-11 zu entnehmen. Laut den technischen Anschlussbedingungen (TAB) der deutschen Versorgungsnetzbetreiber (VNB) werden in Haushalts- und Zweckbauverteilern nach dem Zähler nur LSSchalter mit einem Bemessungsschaltvermögen von mindestens 6.000 A

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4 – Netzschutz und der Energiebegrenzungsklasse 3 eingesetzt, da die Hausanschlusssicherung pro Wohneinheit immer ≤ 63 A ist und damit den Backup-Schutz gewährleistet. Die Geräte müssen die Aufschrift 6000 3 tragen:

Selektivität Selektivität bedeutet, dass im Fehlerfall nur das Schutzorgan abschaltet, welches dem Fehlerort im Verlauf des Strompfades am nächsten liegt. Damit kann in parallel liegenden Stromkreisen der Energiefluss aufrechterhalten werden. In der Grafik ist der Stromverlauf einer Abschaltung in Bezug auf die Energiebegrenzungsklassen schematisch dargestellt. Der Siemens-LS-Schalter B 16 begrenzt die Energie auf wesentlich niedrigere Werte als für die Energiebegrenzungsklasse 3 vorgeschrieben. Die Grafik zeigt die Selektivitatsgrenzen von LS-Schaltern mit verschiedenen Energiebegrenzungsklassen durch den Schnittpunkt der LS-Abschaltkennlinie mit der Schmelzkennlinie der Sicherung. Auch wirkt sich die sehr wirksame Energiebegrenzung des LS-Schalters auf die bessere Selektivität zur vorgeschalteten Sicherung aus. Kurve B 16 gilt für Siemens-LS-Schalter 16 A, Auslösecharakteristik B.

Selektivität von LS-Schaltern der Energiebegrenzungsklassen und zu Vorsicherungen. Kurve B16 gilt für Siemens-Schalter 16 A, Auslösecharakteristik B.

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4 – Netzschutz Backup-Schutz Übersteigt der Kurzschlussstrom an der Einbaustelle des LS-Schalters dessen Bemessungsschaltvermögen, muss ihm ein weiteres Kurzschlussschutzorgan vorgeschaltet werden. Ohne die Funktionsfähigkeit des LS-Schalters in solchen Fällen zu beeinträchtigen, wird das Schaltvermögen der Kombination bis zu 50 kA erhöht. In einigen Ländern werden zunehmend anstelle von NH-Sicherungen Leistungsschalter vorgeschaltet, wobei je nach Typ das gemeinsame Schaltvermögen stark reduziert wird. Obwohl Leistungsschalter hohes eigenes Bemessungsausschaltvermögen besitzen, schalten sie im Bereich des Grenzschaltvermögens der LS-Schalter (6 kA / 10 kA) noch nicht genügend strombegrenzend, sodass sie wenig Unterstützung bieten können. So sind die Leitungsschutzschalter der Bemessungsströme 6 A bis 32 A durch vorgeschaltete Leistungsschalter nur bis zum definierten Bemessungsschaltvermögen des LS-Schalters geschützt (Backup-Schutz). Backup-Schutz bedeutet: Zusammenwirken von zwei aufeinander abgestimmten, in Reihe geschalteten Überstromschutzeinrichtungen an Stellen, an denen ein Gerät (z. B. Leitungsschutzschalter) im Schadensfall den prospektiven Kurzschlussstrom allein nicht zu schalten vermag. Tritt ein entsprechend hoher Kurzschlussstrom auf, entlastet die vorgeordnete Überstromschutzeinrichtung die nächstliegende nachgeordnete und verhindert so deren übermäßige Beanspruchung. Die vorgeordnete Schutzeinrichtung muss ein entsprechendes Schaltvermögen besitzen. Die Schutzwirkung lässt sich durch Versuche ermitteln. Nach der Abschaltung sind beide Überstromschutzeinrichtungen voll funktionsfähig.

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Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

4 – Netzschutz Blitzschutz/Erdungsanlagen Normen, Vorschriften, Richtlinien, Planung Direkte, schadensträchtige Auswirkungen von Blitzen und Überspannungen lassen sich durch Anwendung geeigneter Schutzmaßnahmen verhindern oder zumindest reduzieren. Diese Maßnahmen bewirken das gefahrlose Ableiten von Strömen und das Vermeiden der Einkopplung von Potenzialdifferenzen. Es gelten die folgenden Normen: • DIN EN 62305-1 (VDE 0185-305-1): 2006-11 Blitzschutz Teil 1: Allgemeine Grundsätze • DIN-EN 62305-2 (VDE 0185-305-2): 2006-11 Blitzschutz Teil 2: RisikoManagement: Abschätzung des Schadenrisikos für bauliche Anlagen • DIN-EN 62305-3 (VDE 0185-305-3): 2006-11 Blitzschutz Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen • DIN-EN 62305-4 (VDE 0185-305-4): 2006-11 Blitzschutz Teil 4: Elektrische und elektronische Systeme in baulichen Anlagen • IEC 60364-4-44: 2001-08 Electrical installations of buildings; Part 4-44 • IEC 60362-5-53: 2001-08 Electrical installations of buildings; Part 5-53 • Verfahren zur Risikoabschätzung werden in der Norm IEC 62305-2 beschrieben. Bereits in der Frühphase (Vorentwurf) des Bau- und Umbauvorhabens sollen Blitz- und Überspannungsschutz beachtet werden. Zum Schutz einer baulichen Anlage gegen die Auswirkung direkter Blitzeinschläge dient ein Blitzschutzsystem bestehend aus: • äußerem Blitzschutz • innerem Blitzschutz

Einbindung der Gewerke – Planung, Begleitung, Kontrolle Aus den nachfolgend genannten Möglichkeiten kann eine individuell angepasste Kombination von einzelnen Schutzmaßnahmen ausgewählt werden, um eine bauliche Anlage mit installierten elektrischen und elektronischen Systemen gegen die Wirkungen des elektromagnetischen Impulses von Blitzen (LEMP; lightning electromagnetic pulse) zu schützen: • Leitungsführung und -schirmung • Potenzialausgleichsmaßnahmen • Räumliche Schirmung • Erdungsmaßnahmen

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

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4 – Netzschutz Die nachfolgende Tabelle zeigt beispielhaft für einzelne Gewerke Empfehlungen für Erdungs-, Potenzialausgleichs-, Blitzschutz- und Überspannungsschutzmaßnahmen. Zusätzliche Überspannungsschutzmaßnahmen für Energieversorgung und Informationstechnik können trotz Vorhandenseins einer Blitzschutzanlage erforderlich sein. Grundlegend für Auslegung und Planung der Blitz- und Überspannungsschutzsysteme ist die Festlegung des Gefährdungspegels für das Bauwerk. Diese ist entsprechend DIN EN 50164-2 vorzunehmen. Die Blitzschutzzonen (LPZ; lightning protection zone) müssen nach zeichnerischer Vorlage der Gebäudegrundrisse und der Einordnung der technischen Gebäudeausrüstung (TGA) definiert werden. An jedem Zonenübergang sind entsprechende Maßnahmen zum Schutz vor Blitz und/oder Überspannungen einzusetzen. Jede Schutzzone erhält hierzu eine eigene Potenzialausgleichsschiene. Diese ist über die geerdete Hauptpotenzialausgleichsschiene mit der Erdungsanlage zu verbinden. Die wichtigsten Maßnahmen gelten dem Schutz des Menschen. Gebäudetechnische Systemfunktionen und nutzungsspezifische Anlagenverfügbarkeiten sind nachgeordnet zu betrachten. Anhand dieser Zuordnung ist für die bauliche Anlage das Schutzzonenkonzept entsprechend DIN EN 50164-3 und -4 aufzubauen. Die charakteristischen Merkmale sind: • Behandlung der Erdungsanlage • Behandlung der Dach- und Fassadenflächen • Einbindung der TGA • Aufbau des Schutzzonenkonzepts innerhalb des Gebäudes mit jeweils schutzzonenspezifischem, mit der Erdungsanlage verbundenem Potenzialausgleichssystem Neben der Einbindung der Bewehrungsstähle und sämtlicher Kanal-, Rohrleitungs- und Kabelträgersysteme aus elektrisch leitenden Werkstoffen in das Potenzialausgleichssystem ist eine EMV-gerechte Ausführung der gebäudetechnischen Installationen erforderlich. Bei Neuanlagen ist grundsätzlich der Einbau eines Fundamenterders vorzunehmen (DIN 18014). Dieser ist in regelmäßigen Abständen von etwa 5 m mit der Bewehrung blitzstromtragfähig (durch Klemmen oder Schweißen) zu verbinden. Bestehende bauliche Anlagen ohne eigene Erdungsanlage sind mittels Ring- oder Tiefenerdern – auch in Kombination davon – nachzurüsten und in den Potenzialausgleich einzubinden.

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Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

4 – Netzschutz Empfehlungen für Erdungs-, Potenzialausgleichs-, Blitzschutz- und Überspannungsschutzmaßnahmen Kostengruppe nach DIN 276

Anlagenbezeichnung

Erdung/Poten- Blitzschutz zialausgleich (Typ 1) Einspeisung Frischwasser (RTWK) X Einspeisung TWW X Einspeisung Regenwasser X Sanitärtechnische Einspeisung Löschwasser X Anlagen Entlüftung X (KG 410) Hebeanlage X Abscheideanlagen X Entwässerungen X Rohrleitungssystem X Einspeisung Gas X)) Einspeisung Fernwärme X)) Solaranlage X Heizungstechnische Schornsteinanlage X Anlagen Zuluftanlage X X) (KG 420) Außen liegende Sensoren/Aktoren X Außen liegende Tanks X Luftwärmepumpen X Rohrleitungssystem X X Dachaufbauten X X Wandaufbauten X Lufttechnische Erdwärmetauscher X Anlagen Lichtkuppeln X X (KG 430) Entrauchungsanlagen X X RTL-Anlagen X Kanalsystem X Gebäudeeinspeisung MS X X Gebäudeeinspeisung NS X X) Niederspannungsanlage X X) Elektrotechnische Photovoltaikanlagen X X Anlagen Wegeanlagen X X (KG 440) Externe Feuerlöscheinrichtung X X) Werbeanlagen X X) Rollladenanlagen X X) Sonnensegel X X) Außen liegende Sensoren/Aktoren X TK-Einspeisung X RF-Einspeisung X In NiederFernmelde- und Satellitenanlage X spannungsinformationsAntennenanlagen X anlagen enthalten technische Mobilfunkanlage X Anlagen Einbruchmeldeanlage X Gefahrenmeldeanlagen X Klingel-/Gegensprechanlage X Förderanlagen Aufzüge X X (KG 460) Fahrtreppen X X

ÜSS (Typ 2)

ÜSS (Typ 3)

ÜSS in IT-Anlagen

X X X X

X X X X

X X X X X X

X X X

X X X

X X X

X X X X X X

X X X X X X

X X X X X X

X X X X X X X X

X X X X X X X X X X X X X X X X

X X X X X X X X X X X X X X X X X X

In Niederspannungsanlagen enthalten

X X

x empfohlen x) erforderlich bei Vorhandensein einer Blitzschutzanlage x)) kathodisch geschützte Tank- und Rohrleitungsanlagen dürfen nicht direkt geerdet werden und müssen über eine Funkenstrecke in die Potenzialausgleichs- und Erdungsanlage einbezogen werden.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

4 – 43

4 – Netzschutz Elektroverteilung: Gemäß Schutzzonenbildung für alle Leitungssysteme, die Schutzzonengrenzen schneiden, sind anforderungsgerechte Überspannungsschutzmaßnahmen zu planen und umzusetzen. Leitungsanlagen - Leitungsführung in Gebäuden: Kabel und Leitung innerhalb eines Gebäudes müssen nach ihren Spannungsebenen getrennt voneinander geführt werden. Werden die Bezugspotenziale von Hilfsenergieversorgungen, z. B. DC-24-V-Systemen, betriebsmäßig dauerhaft geerdet, so ist pro System nur eine einzige Erdungsverbindung zulässig. Bei mehr als einer Erdungsverbindung in solchen Systemen besteht die Gefahr von Funktionsstörungen oder gar Zerstörung. Werden solche an nur einer Stelle am zentralen Erdungspunkt (ZEP) geerdeten Systeme großflächig in der baulichen Anlage verteilt, so ist dieses Massepotenzial als aktiver Leiter isoliert zu behandeln. Leitungsanlagen - Leitungsführung außerhalb von Gebäuden: Leitungen und Kabel zu technischen Anlagen, die sich außerhalb der baulichen Anlage befinden, sind im Rahmen des Blitzschutzzonenkonzepts an den Schutzzonenübergängen des Gebäudes mittels Überspannungsschutzgeräten in den jeweiligen schutzzoneneigenen Potenzialausgleich einzubeziehen. Die hierfür erforderlichen Überspannungsschutzeinrichtungen sind für diesen Zweck nah am Einbauort mit dem Potenzialausgleichssystem des Gebäudes zu verbinden.

TIPP: Es sollten möglichst wenige Eintrittsstellen von Leitungssystemen in das Gebäude geplant werden.

Errichtung von Blitz- und Überspannungsschutzeinrichtungen Äußerer Blitzschutz: Dachflächen werden vielfach als “Technikgeschosse“ für großvolumige Einrichtungen genutzt. Diese Dachaufbauten werden nach DIN EN 50164-3 mit getrennten Fangeinrichtungen gegen direkte Blitzeinschläge geschützt. Es können drei Verfahren zur Bestimmung der Schutzklasse angewandt werden: • Blitzkugelverfahren • Maschenverfahren • Schutzwinkelverfahren

4 – 44

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

4 – Netzschutz

Verfahren zur Bestimmung der Schutzklasse (Quelle: VDE).

Dachdurchführungen sind zu vermeiden. Deshalb ist die Führung von Versorgungsleitungen auf dem Dach über längere Strecken unvermeidbar. Die Leitungen müssen über die gesamte Länge durch Fangeinrichtungen vor direkten Blitzeinschlägen geschützt werden. Ein ausreichender Trennungsabstand untereinander ist einzuhalten. Die elektrischen Leitungen zu den Dachaufbauten müssen elektromagnetisch geschirmt ausgeführt sein. Dabei ist der Schirm beidseitig aufzulegen. Verbindung von Ableitungen: Erfolgt die Verbindung des Blitzschutzpotenzialausgleichs nur zu einem Einzelerder, so können hohe Potenzialdifferenzen zu den anderen Erdern auftreten. Aus diesem Grund müssen Ableitungen in Höhe des Erdniveaus (erdnah) miteinander verbunden werden. Diese Verbindung soll außerhalb der baulichen Anlage erfolgen. Für Verbindungsleitungen gilt, dass die Länge der Stromwege so kurz wie möglich gehalten wird. Sie sollten nicht über 1m Höhe installiert werden. Für oberirdisch verlegte Verbindungsleitungen außerhalb der baulichen Anlagen ergeben sich die Mindestmaße und Werkstoffe aus der DIN EN 62305-3. Potenzialausgleich: Durch die technische Entwicklung kommt es in Gebäuden zu einer ständig steigenden Anzahl elektrischer Verbrauchsmittel, deshalb wird nach DIN VDE 0100-410 ein Potenzialausgleich gefordert.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

4 – 45

4 – Netzschutz Folgende leitfähige Teile sind miteinander zu verbinden: • Anschlussfahne des Fundamenterders • Hauptschutzleiter (PE-Leiter im TT-Netz, PEN-Leiter im TN-Netz) • Wasserleitung • Gasleitung (hinter dem Wassermesser) • Luftleitungen aus Metall • Abwasser- und Regenwasserleitungen aus Metall • Heizungsleitungen • Kühlleitung • Andere metallene Rohrleitungen • Metallschienen • Antennenanlage • Fernmeldeanlage • Blitzschutzanlagen Ein zusätzlicher Potenzialausgleichsleiter ist für Bade- und Duschräume erforderlich. Mehrere Rohrleitungen können untereinander verbunden werden und über einen gemeinsamen Hauptpotenzialausgleichsleiter an die Potenzialausgleichsschiene angeschlossen werden. Der Hauptpotenzialausgleichsleiter muss den halben Querschnitt des Hauptschutzleiters haben, mindestens jedoch 6 mm2 Cu, Maximalquerschnitt 25 mm2 Cu. Regionale Vorschriften sind zu beachten. Die Hauptpotenzialausgleichsschiene soll im Hausanschlussraum angeordnet werden; dort werden die Hauptpotenzialausgleichsleiter und die Anschlussfahne des Fundamenterders angeschlossen. Nach DIN VDE 0100-7 wird in Räumen mit besonderer Personengefährdung ein zusätzlicher Potenzialausgleich gefordert. Alle leitfähigen metallenen Rohrleitungen und der leitfähige Ablaufstutzen an Bade- und Duschwannen müssen mit einem Potenzialausgleichsleiter verbunden werden – Mindestquerschnitt 4 mm2 Cu. Die Verbindung zur Potenzialausgleichsschiene erfolgt mit mindestens 6 mm2 Cu. Parallel verlaufende, metallene Kabelträgersysteme sollten in regelmäßigen Abständen (ideal alle 5 m) miteinander verbunden werden. Erdung: Es wird zwischen der Erderanordnung Typ A und Typ B unterschieden. Die Erderanordnung Typ A besteht aus horizontalen oder vertikalen Einzelerdern. Für die Erderanordnung Typ A müssen mindestens zwei Erder verwendet werden. In der Praxis kommen in der Regel Tiefenerder zum Einsatz. Die Erderanordnung Typ B besteht aus einem Ringerder außerhalb der baulichen Anlage, mit wenigstens 80 % seiner Gesamtlänge im Erdreich, oder aus einem Fundamenterder. Die Maschenweite eines Fundamenterders soll 20 m x 20 m nicht überschreiten.

4 – 46

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

4 – Netzschutz Innerer Blitzschutz: Die Blitzschutzzonen sind definierte Schutzbereiche, die nach der Art der Blitzgefährdung klassifiziert werden. An den Grenzen der Blitzschutzzonen muss der Potenzialausgleich für alle eintretenden metallenen Teile und elektrischen Versorgungsleitungen durchgeführt werden. Der Blitzschutzpotenzialausgleich von LPZ 0 auf LPZ 1 ist für alle metallenen Systeme sowie elektrischen Energie- und Datenleitungen durchzuführen. Ziel des Blitzschutzpotenzialausgleichs ist es, die durch den Blitzstrom verursachten Potenzialunterschiede zu reduzieren. Die Anforderungen an den Blitzschutzpotenzialausgleich werden erfüllt durch den direkten Anschluss aller metallenen Systeme und den indirekten Anschluss aller unter Betriebsspannung stehenden Systeme über Überspannungsschutzgeräte Typ 1. Der Blitzschutzpotenzialausgleich soll möglichst nahe an der Eintrittstelle in die bauliche Anlage erfolgen, um das Eindringen von Blitzteilströmen in das Gebäude zu verhindern. An der Blitzschutzzone LPZ 2 (z. B. Unterverteilungen) müssen den Überspannungsschutzgeräten Typ 1 koordinierte Überspannungsschutzgeräte Typ 2 nachgeschaltet werden. DIN VDE 0100-534 fordert, dass die Anschlussleitungslänge zu Überspannungsschutzgeräten in Leitungsabzweigen nicht größer als 0,5 m ist.

Das Blitzschutzzonenkonzept.

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4 – 47

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

5A – EMV im Endstromkreis

EMV im Endstromkreis Die elektromagnetische Verträglichkeit beschreibt gemäß der Definition des EMVGesetzes (EMVG) die "Fähigkeit eines Geräts, in der elektromagnetischen Umwelt zufriedenstellend zu arbeiten, ohne dabei selbst elektromagnetische Störungen zu verursachen, die für andere in dieser Umwelt vorhandene Geräte unannehmbar wären". Die EMV ist von zwei Eigenschaften der beteiligten Geräte abhängig. Dies ist zum einen die Störaussendung und zum anderen die Störfestigkeit. Elektrische Geräte werden eingeteilt in Störquellen (Sender) und Störsenken (Empfänger). Ein Gerät kann gleichzeitig Störquelle (Leistungsteil eines Umrichters) und Störsenke (Steuerteil des Umrichters) sein. Elektromagnetische Verträglichkeit ist gegeben, wenn die vorhandenen Störquellen die Funktionen der Störsenken nicht beeinflussen. Um die größtmögliche Betriebssicherheit und Störfestigkeit einer Gesamtanlage (Umrichter, Automatisierung, Antriebsmaschine usw.) zu erreichen, sind Maßnahmen seitens Umrichterhersteller und Anwender notwendig. Nur wenn alle diese Maßnahmen eingehalten werden, können die einwandfreie Funktion des Umrichters garantiert und die vom Gesetzgeber vorgeschriebene Anforderungen (89/336/EWG) eingehalten werden. Die Störaussendung von Frequenzumrichtern fällt unter die europäische Norm EN 61800-3. Dabei werden leitungsgebundene Störungen am Netzanschluss als Funkstörspannung unter genormten Bedingungen gemessen. Funkstörstrahlung in Form von elektromagnetisch abgestrahlten Störungen. In der Norm werden Grenzwerte für die "erste Umgebung" (öffentliche Netze) und "zweite Umgebung" (industrielle Netze) definiert. Die Störfestigkeit beschreibt das Verhalten eines Geräts unter dem Einfluss von elektromagnetischen Störungen. Die EMV-Anforderungen an "drehzahlveränderbare Antriebssysteme" werden in der Produktnorm EN 61800-3 beschrieben. Sie stellt Anforderungen an Umrichter mit Betriebsspannungen unter 1.000 V. Abhängig vom Aufstellungsort werden unterschiedliche Umgebungen und Kategorien definiert.

Definition der ersten und zweiten Umgebung

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5A – 1

5A – EMV im Endstromkreis Definition der ersten und der zweiten Umgebung • Erste Umgebung: Wohngebäude oder Standorte, an denen das Antriebssystem ohne Transformator am öffentlichen Niederspannungsnetz angeschlossen ist. • Zweite Umgebung: Industriegebiete, die über einen eigenen Transformator aus dem Mittelspannungsnetz gespeist werden.

Definition der Kategorien C1 bis C4

• Kategorie C1: Nennspannung < 1.000 V uneingeschränkter Einsatz in der ersten Umgebung • Kategorie C2: Ortsfeste Antriebssysteme Nennspannung < 1.000 V für den Einsatz in der zweiten Umgebung. Einsatz in erster Umgebung bei Vertrieb und Installation von Fachpersonal. • Kategorie C3: Nennspannung < 1.000 V ausschließlich Einsatz in der zweiten Umgebung. • Kategorie C4: Nennspannung = 1.000 V oder für Nennströme = 400 A in komplexen Systemen in der zweiten Umgebung.

Die EMV-Entstörmaßnahme innerhalb des Schaltschranks lässt sich am kostengünstigsten dadurch bewerkstelligen, dass Störquellen (Sender) und Störsenken (Empfänger) räumlich voneinander getrennt aufgebaut werden. Dies lässt sich bereits während der Planungsphase berücksichtigen. Hierbei wird unterteilt zwischen Störquellen, z. B. Active-Line-Module, Motor-Module und Störsenken, z. B. Automatisierungsgeräte, Sensoren und Geber. Daran anschließend wird die Anlage in unterschiedliche EMV-Zonen unterteilt und die Geräte diesen Zonen zugeteilt. Innerhalb jeder Zone gelten verschiedene Anforderungen bezüglich Störaussendung und Störfestigkeit. Beim Aufbau des

5A – 2

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

5A – EMV im Endstromkreis Schaltschranks müssen die einzelnen Zonen räumlich voneinander getrennt werden. Die Trennung kann zum einen durch Metallgehäuse oder innerhalb eines Schaltschranks durch geerdete Trennbleche erreicht werden. Eventuell müssen an den Schnittstellen der Zonen Filter eingesetzt werden. Innerhalb einer Zone können ungeschirmte Leitungen verwendet werden. Alle Busund Signalleitungen, die den Schaltschrank verlassen, müssen geschirmt sein.

Einteilung eines Antriebssystems in Zonen

• Zone A ist der Netzanschluss des Schaltschranks. Die Störaussendung soll hier bestimmte Grenzen nicht überschreiten. • Zone B beinhaltet das Active Interface Module, das Active-Line-Module und die Motor-Modules. • Zone C bilden die Störsenken wie Steuerung und Sensorik • Zone D bildet die Schnittstelle der Signal- und Steuerleitungen zur Peripherie. Hier wird ein bestimmter Störfestigkeitspegel verlangt. • Zone E umfasst den Drehstrommotor und die Motorleitung.

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5A – 3

5A – EMV im Endstromkreis Verlegung von Leitungen und Schirmung Um die Anforderung der EMV zu erfüllen, müssen unterschiedliche Arten von Leitungen hinreichend getrennt von anderen Leitungen verlegt werden. Um diese Forderungen zu erfüllen müssen nachfolgend genannte Leitungen geschirmt ausgeführt werden: • Einspeiseleitungen zwischen der Netzanschlussstelle und dem Active Interface Module • Alle Motorleitungen, wobei die Bremsleitungen eventuell in die Motorleitungen integriert sind • Leitungen für digitale und analoge Ein- und Ausgänge • Signalleitungen für Encoder, Resolver oder Tachos • Leitungen für Temperatursensoren oder andere Messfühler Koppelstrecken sind zu vermeiden. Daher ist es notwendig, Signalleitungen und Leistungskabel räumlich von einander getrennt zu verlegen. Dabei muss ein Mindestabstand von 20 cm eingehalten werden. Ist dies nicht möglich, sind Trennbleche zwischen Signal- und Leistungskabeln vorzusehen. Diese Trennbleche sind großflächig zu erden. Ist ein direktes Überkreuzen von Signal- und Leistungskabeln unvermeidbar, so darf dies ausschließlich rechtwinklig erfolgen. Um das Einkoppeln von Störungen von außerhalb in den Schaltschrank zu vermeiden sind die Schirme der verwendeten Leitungen möglichst in der Nähe des Eintritts in den Schaltschrank erstmals großflächig zu erden. Dies wird durch Verwendung entsprechender Schirmschienen oder Kammschienen erreicht. Diese Schienen müssen gut leitend und großflächig mit dem Schrankgehäuse verbunden werden.

Schirmanbindung der Motorleitung bei Einführung in den Schaltschrank

Schirmanbindung der Signalleitungen im Schaltschrank

5A – 4

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

5A – EMV im Endstromkreis Alle Leitungen innerhalb des Schaltschrankes sollen so nahe wie möglich an den mit Schrankmasse verbundenen (geerdeten) Konstruktionsteilen, wie Montageplatten oder Hüllteile des Schrankes, verlegt werden. Dies gilt auch für Reserveleitungen. Bei gutem Potentialausgleich (alle metallischen Teile im Schaltschrank sind großflächig leitend miteinander verbunden) sind die Schirme von analogen Signalleitungen beidseitig auf Erde zu legen. Sollten niederfrequente Störungen auf Analogleitungen auftreten, so ist der Schirm nur einseitig am Umrichter aufzulegen. Die andere Seite des Schirms sollte über einen Kondensator (z. B. 10 nF/100 V, Type MKT) geerdet werden. Bei digitalen Signalleitungen müssen die Schirme großflächig und gut leitend auf beiden Seiten (Sender und Empfänger) aufgelegt werden. Ein mehrmaliges Auflegen der Schirme innerhalb und außerhalb des Schaltschranks ist zulässig. Ein Ausgleichsleiter von mindestens 10 mm² ist bei schlechtem Potentialausgleich parallel zum Schirm zu verlegen.

TIPP: Signalleitungen möglichst nur von einer Seite in den Schaltschrank führen.

Leitungen von Encodern, Resolvern oder Tachos müssen über einen Schirm verfügen. Der Schirm ist am Tacho, Resolver oder Encoder und am Motor Module großflächig aufzulegen. Der Schirm darf nicht unterbrochen werden. Für Encoder und Resolver sollten fertig konfektionierte Leitungen mit Mehrfachschirmung verwendet werden. Bei Verwendung von ungeschirmten Leitungen ist es zu vermeiden, diese in unmittelbarer Nähe von Störquellen, z. B. Transformatoren, zu verlegen. Signalleitungen (geschirmt und ungeschirmt) müssen weit entfernt von starken Fremdmagnetfeldern (Transformatoren, Drosseln) verlegt werden. In beiden Fällen sollte ein Mindestabstand von 30 cm eingehalten werden. Ungeschirmte Leitungen des gleichen Stromkreises (Hin- und Rückleiter) sind zu verdrillen, um unnötige Rahmenantennen zu vermeiden. Zur Verringerung von Koppelkapazitäten und -induktivitäten sind unnötig lange Leitungen zu vermeiden. Durch das beidseitige Erden von Reserveadern wird eine zusätzliche Schirmwirkung erreicht.

Beachte: Angeschlossene Leistungs- und Signalleitungen dürfen keine Lüftungsöffnungen verdecken. Signalleitungen dürfen nicht parallel zu Leistungskabeln verlegt werden. Im Schaltschrank sind alle metallischen Teile flächig und gut leitend (nicht Lack auf

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

5A – 5

5A – EMV im Endstromkreis Lack!) zu verbinden. Geeignete Kontakt- oder Zahnscheiben sind gegebenenfalls zu verwenden. Schaltschranktüren sind mittels möglichst kurzer Massebänder mit dem Schaltschrank zu verbinden. In erster Linie ist die Erdung von Anlagen/Maschinen eine Schutzmaßnahme. Die Störaussendung und Störfestigkeit von Antrieben wird jedoch dadurch beeinflusst. Ein Antriebssystem kann sternförmig oder flächig geerdet werden. Bei Antrieben ist die flächige Erdung vorzuziehen, d. h. alle zu erdende Teile werden flächig oder maschenförmig miteinander verbunden. Ist der Antriebsverband auf einer gemeinsamen metallisch blanken Montageplatte, z. B. mit verzinkter Oberfläche, angeordnet oder sind mehrere verwendete Montageplatten flächig leitend miteinander verbunden, so ist innerhalb des Antriebsverbands kein zusätzlicher Potentialausgleich erforderlich da alle Teile der Schaltgerätekombination mit dem Schutzleitersystem verbunden sind. Alle Verbindungen von Montageplatten mit dem externen Schutzleitersystem erfolgen bis einschließlich einem Außenleiterquerschnitt von 16 mm² Kupfer außenleitergleich mit einem feinadrigen Leiter. Ab einem Querschnitt von 25 mm² Kupfer gilt für feinadrige Leiter die Hälfte des Außenleiterquerschnitts. Werden die Geräte anderweitig im Schaltschrank montiert, muss der Potentialausgleich jeder einzelnen Komponente getrennt erfolgen. Dabei ist auf einen ausreichenden Außenleiterquerschnitt zu achten. Anforderungen zur EMV können der EN 61800-3, EN 60439-1 und Empfehlungen der EN60204-1 entnommen werden. Für den Einbau von Komponenten in Schaltschränke müssen zur Erfüllung der EMV-Richtlinie weitere Gesichtspunkte berücksichtigt werden: • Anwendung der empfohlenen Leistungs- und Signalleitungen • Berücksichtung der Hinweise zur Schirmung von Leitungen und zum Potentialausgleich In Abhängigkeit vom Aufstellungsort des Antriebssystems gibt es unterschiedliche Grenzwerte. Durch Netzfilter, die die Abstrahlung reduzieren, werden auch die Netzrückwirkungen begrenzt. Wichtig für deren optimale Wirkung ist die EMVgerechte Installation. Die Active Interface Module zur Einspeisung aus dem Netz bzw. zur Rückspeisung ins Netz bei Bremsbetrieb der Antriebe verfügen über einen Clean Power Filter sowie eine Netzdrossel. Damit werden die Störaussendungsgrenzwerte nach EN 61800-3 für die zweite Umgebung (Industriebereich) eingehalten. Mit Hilfe des Clean Power Filters werden die sonst üblichen Netzoberschwingungen weitestgehend unterdrückt, wodurch die Grenzwerte der Klasse 3 nach IEC 61000-2-4 eingehalten werden. Somit sind netzseitig in der Regel keine weiteren Entstörmaßnahmen notwendig.

5A – 6

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5B – Fehlerstrom Schutzeinrichtungen

Fehlerstrom Schutzeinrichtungen Bei der Anwendung geeigneter Schutzmaßnahmen haben FehlerstromSchutzeinrichtungen (FI-Schutzeinrichtungen) wegen ihrer hohen Schutzwirkung erhebliche Bedeutung. Hinzu kommt, dass die Qualität bzw. Sicherheit der eingesetzten Komponenten entsprechend hoch sein muss. Ansonsten kann es zu Fehlerzuständen kommen, die zusätzliche Schutzmaßnahmen gegen zu hohe Körperströme (Personenschutz) erfordern. Isolationsfehler können folgende Auswirkungen haben: • Körperschluss • Kurzschluss • Erdschluss Jede der drei Auswirkungen kann als vollkommener oder unvollkommener, also widerstandsbehafteter Lichtbogenschluss auftreten. Der Körperschluss gilt als “unfallgefährdend”, Kurzschluss und Erdschluss als “brandgefährdend”.

Hinweis: FI-Schutzeinrichtungen können in allen Netzsystemen eines Wechsel- bzw. Drehstromnetzes eingesetzt werden.

Einbau von FI-Schutzeinrichtungen im a) TN-System b) TT-System c) IT-System

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5B – 1

5B – Fehlerstrom Schutzeinrichtungen Beim Schutz gegen gefährliche Körperströme wird zwischen indirektem und direktem Berühren unterschieden. Beim indirekten Berühren fließt der Fehlerstrom bei defekter Isolierung eines Geräts über den Schutzleiter (PE-Leiter) zur Erde ab. Ein Mensch, der gleichzeitig beim Auftreten des Fehlers das schadhafte Gerät berührt, ist parallel zum Fehlerstrom geschaltet. Aufgrund des Widerstandsverhältnisses “Schutzleiter/Mensch” wird der größte Teil des Stroms über den Schutzleiter fließen.

Indirektes Berühren: Der Fehlerstrom fließt über den Schutzleiter zur Erde ab.

Anders ist es beim unbeabsichtigten direkten Berühren betriebsmäßig spannungsführender Teile oder fremder, nicht geerdeter leitfähiger Teile, die im Fehlerfall Spannung führen. Der Mensch übernimmt hier die Funktion des Schutzleiters. Der über seinen Körper fließende Fehlerstrom kann zu einem tödlichen Unfall führen.

Direktes Berühren: Der Mensch übernimmt die Funktion des Schutzleiters, was zu einem tödlichen Unfall führen kann.

TIPP: Die anzuwendende Schutzmaßnahme ist deshalb möglichst so auszuwählen, dass sowohl Schutz bei indirektem als auch bei direktem Berühren gegeben ist.

5B – 2

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

5B – Fehlerstrom Schutzeinrichtungen Den höchsten Schutzwert aller vergleichbaren Schutzmaßnahmen bieten FISchutzeinrichtungen mit Bemessungsfehlerstrom 30 mA und kleiner. Sie lösen aus, sobald ein gefährlicher Strom über den menschlichen Körper fließt. Dessen Höhe wird vom Innenwiderstand des Menschen und dem Standortübergangswiderstand bestimmt.

Beachte: Für die Unfallbetrachtung muss der ungünstigste Fall angenommen werden, d. h. Standortübergangswiderstand nahe Null. Zur Darstellung der Zusammenhänge zwischen Stromhöhe und physiologischer Reaktion wurden viele Fälle ausgewertet. Die Stromzeitwerte wurden durch Kurven in vier Bereiche unterteilt. Gefährlich sind Stromzeitwerte des Bereichs 4, weil bei diesen Werten Herzkammerflimmern auftreten kann. Stromflussdauer

Stromstärkebereiche für Wechselstrom 50/60 Hz nach IEC 479 und Auslösestreubänder der FISchutzeinrichtungen mit Bemessungsfehlerstrom I∆n=30 mA und 10 mA.

Höhe des Körperstroms in mA

Bereich 1: Normalerweise keine Einwirkungen wahrnehmbar Bereich 2: Normalerweise keine schädigenden Einwirkungen Bereich 3: Muskelverkrampfungen, Unregelmäßigkeiten beim Herzschlag möglich Bereich 4: Gefahr des Herzkammerflimmerns

IF = U0/R Beispiel: Ein Metallgestell steht isoliert auf einem Holzboden. Die Leitung einer Bohrmaschine als elektrischer Verbraucher ist beschädigt, was den Rahmen unter eine Spannung von 230 V gegenüber dem isolierten Fußboden setzt. Bei direkter Berührung des Gestells fließen 115 mA Fehlerstrom durch den Körper. Bei Verwendung eines Leitungsschutzschalters kann dieser Stromfluss über eine Sekunde betragen und ist somit im Bereich 4 (evtl. tödlich). Bei Verwendung einer FI-Schutzeinrichtung liegt die Gefährdung im Stromstärkenbereich 2.

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5B – 3

5B – Fehlerstrom Schutzeinrichtungen Präventivmaßnahmen für Brandschutz Kurzschlüsse bzw. Erdschlüsse sind vor allem dann brandgefährdend, wenn an der Lichtbogenstelle relativ hohe Widerstände im Fehlerkreis auftreten (unvollkommen). Eine Abschaltung des Fehlers durch vorgeschaltete Überstrom-Schutzeinrichtungen wie Sicherungen oder Leistungsschalter ist aufgrund der teilweise sogar weit unter den Nennströmen der Überstrom-Schutzeinrichtungen liegenden Fehlerströme nicht gegeben. Bei Strömen, die nur geringfügig über dem Bemessungsstrom der ÜberstromSchutzeinrichtungen liegen, erfolgt die Abschaltung erst nach langer Zeit. Dem Schutz vor Bränden, hervorgerufen durch Erdschlussströme, sind dadurch Grenzen gesetzt. Fehler, die zu Erdschlussströmen und zur Lichtbogenbildung führen können, sind: • Beschädigung der Isolierung einer Leitung bzw. eines Betriebsmittels. • Schmorstellen mit Verkohlung der Umgebung an Klemmen von Geräten oder Motoren. • Windungsschlüsse durch Überlastung von Motoren oder Alterung von Drosselspulen. • Feuchtigkeit oder Kondenswasser in Betriebsmitteln oder Teilen der Installation. • Leitfähige Stäube oder Ablagerungen in elektrischen Betriebsmitteln. Derartige Fehler können unvollkommene Kurz- bzw. Erdschlüsse hervorrufen und zu Bränden führen.

Hinweis: Dabei auftretende Wärmeleistungen zwischen 60 W und 100 W sind bereits brandgefährdend, wenn sie auf einer Fläche von wenigen Quadratmillimetern freigesetzt werden. Wesentlich ist auch die Zeit, in der die Wärmeleistung auftritt.

TIPP: Von den im Fehlerfall abschaltenden Schutzeinrichtungen bieten auch hier nur FI-Schutzeinrichtungen umfassenden Schutz. Für erhöhten Brandschutz werden FI-Schutzeinrichtungen mit Bemessungsfehlerströmen ≤ 0,3 A von den Sachversicherern empfohlen.

Der Aufbau einer FI-Schutzeinrichtung sieht folgendermaßen aus, dass durch den hochpermeablen Kern des Summenstromwandlers W alle stromführenden Leiter einer Anlage geführt werden. Im fehlerfreien Betrieb ist die vektorielle Summe der zu- und abfließenden Ströme gleich Null. Tritt in der elektrischen Anlage durch eine fehlerhafte Isolation ein Fehlerstrom auf, wird das Stromgleichgewicht im Summenstromwandler gestört. Entsprechend der Höhe des Fehlerstroms wird der Wandlerkern magnetisiert und eine Spannung in der Sekundärwicklung induziert. Diese bewirkt einen Strom durch

5B – 4

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

5B – Fehlerstrom Schutzeinrichtungen die Erregerwicklung des Auslösers A. Bei Erreichen des Auslösestroms Ia der FISchutzeinrichtung spricht der Auslöser A an, was zur Abschaltung des gefahrbringenden Anlagenteils führt.

Hinweis: Das Auslöseprinzip von FI-Schutzeinrichtungen arbeitet unabhängig von der Netzspannung oder einer Hilfsenergie.

Beachte: Zur Prüfung der ordnungsgemäßen Funktion haben FI-Schutzeinrichtungen eine Prüfeinrichtung T, die zur Sicherstellung der Funktionssicherheit halbjährlich betätigt werden soll. Prinzipschaltbild der FISchutzeinrichtung mit netzspannungsunabhängiger Auslösung, z. B. im TTSystem.

A T M n W RB RA

Auslöser Prüfeinrichtung Mechanik des Schutzschalters Sekundärwicklung Summenstromwandler Erdungswiderstand Betriebserde Erdungswiderstand Verbraucher

FI-Schutzeinrichtungen für Wechsel- und pulsierende Gleichfehlerströme nach DIN VDE 0664 Früher gebräuchliche FI-Schutzeinrichtungen lösten gemäß den praktischen Anforderungen nur bei sinusförmigen Wechselfehlerströmen aus. Aufgrund der Zunahme von elektronischen Bauelementen wurde eine neue Generation von FISchutzeinrichtungen notwendig. Diese lösen sowohl bei Wechsel- als auch bei pulsierenden Gleichfehlerströmen aus.

Allstromsensitive FI-Schutzeinrichtungen für Industrieanwendungen In elektrischen Verbrauchsmitteln der Industrie werden vermehrt Schaltungsarten angewendet, bei denen im Fehlerfall glatte Gleichfehlerströme oder solche mit geringer Restwelligkeit auftreten. Wechsel- und pulsstromsensitive FI-Schutzeinrichtungen können derartige Gleichfehlerströme nicht erfassen und nicht abschalten. Deshalb dürfen elektrische Verbrauchsmittel, die im Fehlerfall solche Fehlerströme erzeugen, nur mit allstromsensitiven FI-Schutzeinrichtungen betrieben werden.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

5B – 5

5B – Fehlerstrom Schutzeinrichtungen Prinzipschaltung mit Fehlerstelle

Belastungsstrom

Fehlerstrom

a) Einweggleichrichtung

b) Graetzbrückenschaltung

c) Graetzbrücke mit Glättung

d) Symmetrische Phasenanschnittsteuerung

e) Unsymmetrische Phasenanschnittsteuerung

f) Schwingungspaketsteuerung

Form des Belastungsstroms IB und des Fehlerstroms I∆ von Schaltungsarten, die im Fehlerfall Wechsel- oder pulsierende Gleichfehlerströme erzeugen.

a) Drehstrom-Sternschaltung b) Drehstrom-Brückenschaltung, sechspulsig

Form des Belastungsstroms IB und des Fehlerstroms I∆ von Schaltungsarten, die bei Fehlern Gleichfehlerströme mit geringer Restwelligkeit erzeugen können.

Grundlage der allstromsensitiven FI-Schutzeinrichtungen bildet ein pulsstromsensitives Schutzschaltgerät mit netzspannungsunabhängiger Auslösung, ergänzt um eine Zusatzeinheit für die Erfassung von glatten Gleichfehlerströmen. Der Summenstromwandler W1 überwacht die elektrische Anlage auf wechsel- und pulsstromartige Fehlerströme. Der Summenstromwandler W2 erfasst nach dem Funktionsprinzip der gesteuerten Induktivität die glatten Gleichfehlerströme und gibt bei einem Fehler den Abschaltbefehl über eine Elektronikeinheit E, bestehend aus Stromversorgung und Auswertemodul, an den Auslöser A weiter.

5B – 6

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

5B – Fehlerstrom Schutzeinrichtungen A Auslöser M Mechanik der Schutzeinrichtung E Elektronik für Auslösung bei glatten Gleichfehlerströmen T Prüfeinrichtung n Sekundärwicklung W1 Summenstromwandler zur Erfassung der sinusförmigen Fehlerströme W2 Summenstromwandler zur Erfassung der glatten Gleichfehlerströme

Prinzipschaltbild der allstromsensitiven FI-Schutzeinrichtung, z.B. im TN-S-System.

Die Auslösestrombereiche für die allstromsensitiven FI-Schutzeinrichtungen sind für Wechsel- und pulsierende Gleichfehlerströme aus DIN VDE 0664 übernommen und bezüglich der Auslösung bei glatten Gleichfehlerströmen gemäß IEC 479 erweitert.

Stromart

Bildzeichen

Auslösestrom

Wechselfehlerströme

0,5 bis 1 • I∆n

Pulsierende Gleichfehlerströme (pos. und neg. Halbwellen), Halbwellenstrom

0,35 bis 1,4 • I∆n

Angeschnittene Halbwellenströme: Anschnittwinkel 90° el 135° el

0,25 bis 1,4 • I∆n 0,11 bis 1,4 • I∆n

Halbwellenstrom bei Überlagerung mit glattem Gleichstrom von 6 mA

max 1,4 • I∆n + 6 mA

Stromart

Bildzeichen

Auslösestrombereiche für wechsel- und pulsstromsensitive FI-Schutzeinrichtungen

Auslösestrom

Wechselfehlerströme

0,5 bis 1 • I∆n

Pulsierende Gleichfehlerströme (pos. und neg. Halbwellen), Halbwellenstrom

0,35 bis 1,4 • I∆n

Angeschnittene Halbwellenströme: Anschnittwinkel 90° el 135° el

0,25 bis 1,4 • I∆n 0,11 bis 1,4 • I∆n

Halbwellenstrom bei Überlagerung mit glattem Gleichstrom von 6 mA

max 1,4 • I∆n + 6 mA

Glatter Gleichfehlerstrom

0,5 bis 2 • I∆n

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

Auslösestrombereiche für allstromsensitive FI-Schutzeinrichtungen

5B – 7

5B – Fehlerstrom Schutzeinrichtungen

Beachte: Bei der Projektierung und Errichtung elektrischer Anlagen ist zu beachten, dass elektrischen Verbrauchsmitteln, die im Fehlerfall glatte Gleichfehlerströme erzeugen, einem eigenen Stromkreis mit einer allstromsensitiven FI-Schutzeinrichtung zugeordnet werden. Nicht zulässig ist das Abzweigen von solchen Stromkreisen nach pulsstromsensitiven FI-Schutzeinrichtungen gemäß DIN VDE 0664, da glatte Gleichfehlerströme über 6 mA die pulsstromsensitiven FI-Schutzeinrichtungen in ihrer Auslösung beeinträchtigen. Allstromsensitive FI-Schutzeinrichtungen eignen sich wie die pulsstromsensitiven FISchutzeinrichtungen gemäß DIN VDE 0664 für den Einsatz in Wechsel oder Drehstromnetzen. Allstromsensitive FI-Schutzeinrichtungen sind mit einem vom VDE-Prüf- und Zertifizierungsinstitut erteilten Überwachungszeichen in Form einer VDERegisternummer versehen. a) Stromkreise mit elektrischen Verbrauchsmitteln, bei denen im Fehlerfall Wechselfehlerströme oder/und pulsierende Gleichfehlerströme auftreten können. b) Stromkreise mit elektrischen Verbrauchsmitteln, bei denen im Fehlerfall Wechselfehlerströme oder/und pulsierende Gleichfehlerströme oder/und glatte Gleichfehlerströme auftreten können.

Allstromsensitive FI-Schutzeinrichtungen

FI-Schutzeinrichtungen haben normalerweise eine unverzögerte Auslösung. Das bedeutet, dass eine Reihenschaltung solcher Geräte mit dem Ziel einer selektiven Abschaltung im Fehlerfall nicht funktioniert. Allerdings gibt es selektive FI-Schutzeinrichtungen, die mit dem Zeichen S versehen sind. Bei elektrischen Verbrauchern, die beim Einschalten kurzzeitig hohe Ableitströme verursachen (z. B. über Entstörkondensatoren zwischen Außenleiter und PE-Leiter abfließende, transiente Fehlerströme), kann es zum unerwünschten Auslösen unverzögerter FI-Schutzeinrichtungen kommen. Das gilt, wenn der Ableitstrom den Bemessungsfehlerstrom I∆n der FI-Schutzeinrichtung überschreitet. Kurzzeitverzögerte FI-Schutzeinrichtungen sind mit dem Kennzeichen K versehen.

5B – 8

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

5B – Fehlerstrom Schutzeinrichtungen

Hinweis: Fehlerströme können durchaus Werte im Bereich von Kurzschlussströmen erreichen. Das passiert zum Beispiel bei einem Isolationsfehler in einem gut geerdeten Gerät, z. B. einem Warmwasserspeicher. Sogar durch eine Lichtbogenbeeinflussung kann ein Erdschluss gleichzeitig zu einem Kurzschluss führen. Aus diesem Grund müssen FI-Schutzeinrichtungen über ein ausreichend hohes Bemessungsschaltvermögen verfügen und kurzschlussfest ausgeführt sein.

Hinweis: In TN-Systemen können bei Verwendung des Neutralleiters als Schutzleiter im Fehlerfall kurzschlussartige Fehlerströme auftreten. In diesem Fall müssen FI-Schutzeinrichtungen zusammen mit der Vorsicherung ein entsprechendes Bemessungsschaltvermögen und eine ausreichende Bemessungskurzschlussfestigkeit haben. Die Bemessungskurzschlussfestigkeit der Kombination muss auf den Geräten angegeben werden.

Mögliche Staffelung von FISchutzeinrichtungen für selektives Abschalten am Beispiel einer Industrieanwendung.

Eine Auslösung der FI-Schutzeinrichtung kann viele Ursachen haben. In diesem Fall ist besonders zu überprüfen, dass nach der FI-Schutzeinrichtung keine elektrische Verbindung zwischen dem Neutralleiter N und dem Schutzleiter PE bzw. den Neutralleitern N zweier oder mehrerer Schutzeinrichtungen besteht. Ungewollte Abschaltungen von FI-Schutzeinrichtungen können auch infolge von Gewitter und Schaltüberspannungen auftreten. Dies passiert vorwiegend in elektrischen Verbraucheranlagen, in denen überhaupt keine oder keine geeigneten Überspannungsschutzmaßnahmen angewendet werden bzw. keine EMV-gerechten Verbrauchergeräte eingesetzt worden sind.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

5B – 9

5B – Fehlerstrom Schutzeinrichtungen Ungewollte Abschaltungen können auch auftreten, wenn häufige betriebsmäßige Ableitströme aufgrund einer hohen Anzahl von elektrischen Verbrauchsmitteln auftreten und der Auslösestrom der vorgeschalteten FI-Schutzeinrichtung erreicht bzw. überschritten werden kann. Zur Feststellung gibt es Ableitstrommessgeräte mit entsprechenden Eichkurven.

TIPP: Untersuchungen haben gezeigt, dass ungewollte Abschaltungen durch den Einsatz von pulsstromsensitiven FI-Schutzeinrichtungen, die weitgehend stoßstromfest sind, meist hätten vermieden werden können.

Beachte: Bei zusätzlichem Einsatz von Überspannungsableitern ist zu beachten, dass diese vor der FI-Schutzeinrichtung gegen Erde angeordnet werden, damit ungewollte Abschaltungen aufgrund von defekten Überspannungsableitern vermieden werden. FI-Schutzschalter hat ausgelöst

Bei unveränderter Anlage FI-Schutzschalter wieder einschalten

ja

Lässt sich der FI-Schutzschalter einschalten?

nein Vorübergehende Störung. Anlage und Verbraucher einer Isolationsprüfung unterziehen. Auch N-PE

Alle Sicherungen bzw. LS-Schalter nach dem FI-Schutzschalter ausschalten ja

Die einzelnen Stromkreise der Reihe nach wieder einschalten, bis der FI-Schutzaschalter anspricht. Der Stromkreis, bei dem der FI-Schutzschalter auslöst, hat einen Isolationsfehler. Weitere Ortung des Fehlers: Alle Verbraucher dieses Stromkreises ausschalten bzw. abklemmen oder Netzstecker ziehen. Lässt sich der FI-Schutzschalter einschalten?

Lässt sich der FI-Schutzschalter einschalten?

nein

Abgangsseite des FI-Schutzschalters abklemmen (einschließlich N) nein

Lässt sich der FI-Schutzschalter einschalten?

FI-Schutzschalter fehlerhaft

ja

ja

Isolationsfehler zwischen FI-Schutzschalter und Sicherungen bzw. LS-Schalter oder im N

nein Fehler liegt in der fest verlegten Leitung dieses Stromkreises. Fehlerort durch Isolationsmessung und Leitungsauftrennung in den Abzweigdosen orten.

Die einzelnen Verbraucher der Reihe nach wieder einschalten bzw. Netzstecker wieder einstecken bis FI-Schutzschalter auslöst. Das Gerät, bei dem der FI-Schutzschalter anspricht, ist schadhaft.

Vorgehensweise bei der Fehlerortung, wenn die FI-Schutzeinrichtung anspricht.

5B – 10

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme

Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme Grundlagen Überspannungen schädigen in erheblichem Maße elektrische und elektronische Einrichtungen. Hierzu genügen oftmals schon kleine Spannungsspitzen auf der Versorgungsleitung. Das zeigen die Schadensbilder von zerstörten Leitungen, Platinen oder Schaltgeräten. Diese Schäden können mit geeigneten ÜberspannungsschutzMaßnahmen verhindert werden. Etwa ein Drittel aller Sachschäden, für die Wohngebäudeversicherer aufkommen müssen, sind auf Blitzschlag und Überspannungen zurückzuführen. Bei der Hausratversicherung beträgt der Schadensanteil sogar 45 Prozent. Überspannungen entstehen durch Blitzentladungen (LEMP – Lightning Electromagnetic Pulse), Schalthandlungen (SEMP – Switching Electromagnetic Pulse) und elektrostatische Entladungen (ESD – Electro Static Discharge). Sie treten nur für den Bruchteil einer Sekunde auf. Man nennt sie deshalb auch transiente Spannungen oder Transienten (Transient (engl.): vorübergehend, kurzzeitig). Sie haben sehr kurze Anstiegszeiten von wenigen Mikrosekunden, bevor sie dann relativ langsam über einem Zeitraum von bis zu mehreren 100 Mikrosekunden wieder abfallen. Zur Realisierung eines umfassenden Schutzkonzepts, bestehend aus Leitungsschutz, Personen- und Brandschutz sowie Blitzstrom- und Überspannungsschutz, gehört ein rundum abgestimmtes Spektrum von Schutzgeräten. BETA Niederspannungs-Schutzgeräte basieren auf nationalen und internationalen Normen und bieten Sicherheit und Schutz auf höchstem Niveau für alle Netzsysteme der Installationstechnik (TNC-, TNS- und TT-System).

Hinweis: Für den Begriff Überspannungsschutzgerät wird im deutschen Sprachgebrauch die Abkürzung “SPD” (Surge Protective Device) verwendet. Dem in der Norm IEC 62305-2 beschriebenen Risikomanagement geht eine Risikoanalyse voraus, um zuerst die Notwendigkeit des Blitzschutzes zu ermitteln und dann die technisch und wirtschaftlich optimalen Schutzmaßnahmen festzulegen, die in IEC 62305-3 und DIN EN 62305-4 beschrieben sind. Dazu wird das zu schützende Objekt in eine oder mehrere Blitzschutzzonen (LPZ – Lightning Protection Zone) unterteilt. Ausgehend vom ungeschützten Zustand des Objekts wird das angenommene Risiko so lange durch die Anwendung von (weiteren) Schutzmaßnahmen vermindert, bis nur noch ein akzeptierbares Restrisiko bestehen bleibt.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

5C – 1

5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme

Impulsform eines Stoßstroms. Blitzschutzklasse I

II

I (kA)

200

150

T1 (µs)

10

10

T2 (µs)

350

350

Qs (As)

100

75

W/R (MJ/Ω)

10

5,6

= Stromscheitelwert (*1) III + IV I (kA) = Stirnzeit (*2) T1 (µs) T2 (µs) = Rückenhalbwertszeit (*3) 100 Qs (As) = Ladung W/R (MJ/Ω) = Spezifische Energie 10 Blitzströme werden mit einem Stoßstrom der Wellenform 10/350 µs nachgebildet. 350 (*1) = Höchster Wert des Stoßstroms (*2) = Anstiegzeit des Stoßstroms vom 10-%-Wert bis 50 zum 90-%-Wert des Stromscheitelwerts (*3) = 50-%-Wert des Stromscheitelwerts in der 2,5 Abklingphase, gemessen vom Punkt des 10-%-Werts des Stromscheitelwerts

Blitzstromparameter des ersten Stoßstroms innerhalb der verschiedenen Blitzschutzklassen.

Bei einem Blitzeinschlag ist gemäß der Norm IEC 62305 davon auszugehen, dass ca. 50 % des Blitzstroms über das äußere Blitzschutzsystem (Blitzableiter) in die Erde abgeführt werden. Bis zu 50 % des verbleibenden Blitzstroms fließen über elektrisch leitfähige Systeme wie den Hauptpotenzialausgleich in das Gebäude hinein. Deshalb ist es beim Vorhandensein eines äußeren Blitzschutzsystems immer notwendig, auch ein inneres Blitzschutzsystem zu installieren. Summen-Blitzstrom Blitzschutzklasse (10/350 µs) 100 kA I 75 kA

II

50 kA

III + IV

Die in der Norm festgelegten Blitzschutzklassen definieren den maximal zu erwartenden Summen-Blitzstrom innerhalb des Gebäudes: Einteilung der Blitzschutzklassen.

Hinweis: Es ist davon auszugehen, dass sich der Summen-Blitzstrom gleichmäßig auf die Leiter des Stromversorgungssystems aufteilt. Deshalb sind die Blitzströme auf den einzelnen Leitern deutlich kleiner als der SummenBlitzstrom.

5C – 2

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme Anzahl der “aktiven” Leiter

4

3

Max. zu erwartende Blitzströme pro Leiter, (10/350) µs

Blitzschutzklasse

25,0 kA

I

18,7 kA

II

12,5 kA

III + IV

33,3 kA

I

25,0 kA

II

16,6 kA

III + IV

Maximal zu erwartende Blitzströme pro Leiter.

Hinweis: Jedes Gebäude benötigt ein abgestimmtes Schutzkonzept. Wichtig hierbei ist die Staffelung des Schutzes. Nur wenn diese Staffelung eingehalten wird, ist ein ausreichender Schutz gewährleistet.

TIPP: Im Rahmen des Blitzschutzzonen-Konzepts werden Geräte oder Bereiche zusammengefasst, die das gleiche Gefährdungspotenzial aufweisen und mit Ableitern des gleichen Typs beschaltet werden können. Zone 0 (LPZ 0) Außerhalb des Gebäudes/Direkte Blitzeinwirkung – Keine Abschirmung gegen Blitzeinschlag (LEMP) – Blitzschutzzone 0A: einschlaggefährdet – Blitzschutzzone 0B: einschlaggeschützt Zone 1 (LPZ 1) Innerhalb des Gebäudes/Energiereiche Transienten durch – Schalthandlungen (SEMP) – Blitzströme Zone 2 (LPZ 2) Innerhalb des Gebäudes/Energieärmere Transienten durch – Schalthandlungen (SEMP) – Elektrostatische Entladungen (ESD) Zone 3 (LPZ 3) Innerhalb des Gebäudes – Kein Generieren von transienten Strömen oder Spannungen über die Störgrenze hinaus – Schirmung und separate Verlegung von Stromkreisen, die sich gegenseitig beeinflussen könnten

An den Übergängen der Blitzschutzzonen sind je nach Anforderung Blitzstromoder Überspannungs-Schutzgeräte einzusetzen, die an einem entsprechenden Einbauort wie in der Haupt- oder Unterverteilung installiert werden.

Alle Betriebsmittel einer elektrischen Anlage sind gemäß ihrer Bestimmung und ihres Einsatzorts einer Überspannungskategorie zugeordnet. Aus dieser Zuordnung ergibt sich die erforderliche Bemessungsstoßspannung (Isolationsfestigkeit). Hieraus lassen sich die erforderlichen Leistungsparameter für die einzusetzenden Überspannungsschutzeinrichtungen ableiten.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

5C – 3

5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme Überspannungskategorie I

Betriebsmittel zum Anschluss an Stromkreise, in denen Maßnahmen zur Begrenzung der transienten Überspannungen auf einen geeigneten niedrigen Wert getroffen worden sind. Beispiel: Betriebsmittel mit elektronischen Schaltungen und entsprechend niedrigem Schutzpegel.

Überspannungskategorie II Energie verbrauchende Betriebsmittel, die von der festen Installation gespeist werden. Beispiel: Betriebsmittel wie Haushaltsgeräte, tragbare Werkzeuge und andere Hausgeräte sowie ähnliche Geräte. Überspannungskategorie III Betriebsmittel in festen Installationen und für solche Fälle, in denen besondere Anforderungen an die Zuverlässigkeit und die Verfügbarkeit der Betriebsmittel gestellt werden. Beispiel: Betriebsmittel wie Schalter in festen Installationen und Betriebmittel für industriellen Einsatz mit dauerndem Anschluss an die feste Installation. Überspannungskategorie IV Betriebsmittel für den Einsatz am Anschlusspunkt der Installation. Beispiel: Betriebsmittel wie Elektrizitätszähler und primäre Überstromschutzmodule.

Nennspannung des Stromversorgungssystems (Netz) nach IEC 60038 (V)

Spannung Leiter zu Neutralleiter abgeleitet von der Nennwechsel oder Gleichspannung bis 3-phasig 1-phasig einschließlich (V)

Bemessungsstoßspannung (V) Überspannungskategorie I

II

III

IV

50

330

500

800

1500

100

500

800

1500

2500

150

800

1500

2500

4000

300

1500

2500

4000

6000

400/690

600

2500

4000

6000

8000

1000

1000

4000

6000

8000

12000

230/400 277/480

120-240

Überspannungskategorien und Bemessungsstoßspannungen.

Die Isolationskoordination nach DIN EN 60664-1 und IEC 60364-444beschreibt die Spannungsfestigkeit der Isolation eines Betriebsmittels. Hierbei sind zu berücksichtigen: – Die zu erwartenden Überspannungen und die Kenngrößen der eingesetzten Überspannungsschutzgeräte. – Die zu erwartenden Umgebungsbedingungen und die Schutzmaßnahmen gegen Verschmutzung der Betriebsmittel. Die Spannungsfestigkeit der Isolation für alle elektrotechnischen Betriebsmittel in den verschiedenen Anlagenbereichen beträgt: – 6 kV in der zentralen Stromversorgung (Hauptverteilung) – 4 kV im Bereich der Stromkreisverteilung (Unterverteilung) – 2,5 kV am Endgerät – 1,5 kV an besonderen Endgeräten

5C – 4

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme Aufbau und Wirkungsweise von Überspannungsschutzgeräten Um zu verhindern, dass Überspannungen empfindliche elektrische Anlagen zerstören, müssen die Leiter, an denen solch hohe Spannungen auftreten, in sehr kurzer Zeit mit dem Potenzialausgleich kurzgeschlossen werden. Dafür stehen verschiedene Bauelemente zur Verfügung. Sie werden in Überspannungsschutzgeräten einzeln oder in komplexen Schutzschaltungen kombiniert verwendet, um die unterschiedlichen Vorteile gleichzeitig nutzen zu können. Je nach Anwendungsfall kommen Funkenstrecken, gasgefüllte Überspannungsableiter, Varistoren und Suppressordioden zum Einsatz. Diese Bauelemente unterscheiden sich im Wesentlichen durch: • Ableitvermögen (Stromtragfähigkeit) • Ansprechverhalten (Reaktionszeit beim Auftreten einer Überspannung) • Löschverhalten (Übergang vom niederimpedanten Ableitzustand in den hochimpedanten Ruhezustand nach einem Ableitvorgang) • Spannungsbegrenzung (Restspannung/Schutzpegel für das zu schützende Gerät) Blitzstromableiter Typ 1 Blitzstromableiter stellen die erste und leistungsstärkste Schutzstufe für die Stromversorgung dar. Der aus technischer Sicht bevorzugte Einbauort ist direkt hinter dem Hausanschlusskasten. Je nach System der Stromversorgung (TN-C-, TN-S- oder TT-System) wird der passende Blitzstromableiter in einem separaten Gehäuse in die Hauptleitung vor dem Zähler eingebaut. Dafür ist der zuständige Versorgungsnetzbetreiber (VNB) hinzuzuziehen oder eine entsprechende Zustimmung einzuholen. Blitzstromableiter, die aus reinen Funkenstrecken bestehen, können im Vorzählerbereich installiert werden. Ist die Installation vor dem Zähler nicht möglich, wird der Blitzstromableiter in der Hauptverteilung hinter dem Zähler eingebaut. Summenstoßstrom und N-PE-Funkenstrecke: In Stromversorgungssystemen mit getrennt verlegten N- und PE-Leitern wird z. B. für dreiphasige Einspeisungen eine so genannte 3+1-Schaltung aufgebaut. In dieser Schaltungsart ist jeweils ein Schutzgerät zwischen jeden Aussenleiter und den Neutralleiter geschaltet. Die Strecke zwischen Neutralleiter und Erde wird mit einer Summenstrom-Funkenstrecke oder auch N-PE-Funkenstrecke beschaltet. Die Summe aus allen Teilstoßströmen, die sich aufgrund einer Überspannungseinkopplung in die aktiven Leitungen ergibt - das heißt in die Außen- und den Neutralleiter - muss nun vollständig von der Summenstrom-Funkenstrecke beherrscht werden. Diese Schaltungsart ist leckstromfrei gegen Erde. Sie erfordert jedoch den Einsatz einer

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5C – 5

5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme leistungsstarken Summenstrom-Funkenstrecke. Solche Schutzgeräte verfügen üblicherweise über ein Ableitvermögen in Höhe von 100 kA (10/350 µs) und erfüllen damit die Anforderungen gemäß Blitzschutzklasse I. Überspannungsableiter Typ 2 Der Überspannungsableiter Typ 2 ist die zweite Schutzstufe in der Stromversorgung. Er senkt die Restspannung unter die Spannungsfestigkeit der Betriebsmittel und Leitungen im Bereich der Festinstallation zwischen Stromkreisverteilung und Stromanschluss für Endgeräte. Bei Anlagen mit einer Betriebsspannung von z. B. 230 V sind das 2,5 kV. Meistens sind Schutzgeräte für diese Betriebsspannung so ausgelegt, dass sogar ein Schutzpegel in Höhe von nur 1,5 kV erreicht wird. Die Schutzschaltung besteht aus temperaturüberwachten Varistoren mit hohem Ableitvermögen bis zu 40 kA (8/20 µs) (Stoßstrom mit der Wellenform 8/20 µs. Der Energieinhalt dieses Impulses ist deutlich geringer als bei einem Blitzstoßstrom (Wellenform 10/350 µs)). Bei einem temperaturüberwachten Varistor sinkt bei einer spannungsbedingten Überlastung der Innenwiderstand des Varistors, und der Leckstrom im Varistor steigt. Es kommt zu einer Erwärmung, die auf eine Abtrennvorrichtung wirkt. Bei Erreichen eines definierten Grenzwerts wird der Varistor mechanisch vom Netz getrennt, bevor gefährliche Temperaturen erreicht werden. Eine weitere Variante stellen die N-PE-Funkenstrecken als Überspannungsableiter Typ 2 dar. Sie besitzen einen gasgefüllten Überspannungsableiter mit besonders hohem Ableitvermögen. Als Summenstrom-Funkenstrecke werden sie in so genannten 3+1-Schaltungen zwischen Neutral- und Schutzleiter geschaltet.

Blitzstrom-/Überspannungsableiter-Kombination Typ 1+2 Ableiterkombinationen Typ 1+2 erfüllen die Anforderungen der ersten und zweiten Schutzstufe. Als sehr leistungsfähig haben sich Ableiterkombinationen bewährt, die nach dem AEC-Prinzip arbeiten. Der aus technischer Sicht bevorzugte Einbauort ist die Gebäudeeinspeisung. Je nach System der Stromversorgung (TN-C-, TN-S- oder TT-Netz), wird die passende Ableiterkombination in die Hauptverteilung direkt hinter dem Stromzähler eingebaut. AEC heißt Active Energy Control und bedeutet aktive Energiesteuerung zwischen Ableitern Typ 1 und Ableitern Typ 2. Dabei erfolgt eine angemessene Lastverteilung des Stoßstromes, so dass der niedrige Schutzpegel des Typ-2Ableiters und das hohe Ableitvermögen des Typ-1-Ableiters genutzt werden kann.

5C – 6

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme

Beachte: Ableiterkombinationen mit Varistoren führen im ungestörten Betrieb einen geringen Betriebsstrom (Leckstrom) von wenigen mA. Deshalb dürfen solche Geräte grundsätzlich nicht im Vorzählerbereich installiert werden. Die Anschluss- und Installationsbedingungen für diese Schutzgeräte entsprechen denen der Blitzstromableiter Typ 1.

Überspannungsableiter Typ 3 (Geräteschutz) Der Überspannungsableiter Typ 3 ist die dritte Schutzstufe in der Stromversorgung und senkt die Restspannung unter die Spannungsfestigkeit des Endgeräts. Bei Geräten mit einer Betriebsspannung von z. B. 230 V sind das ≤ 1,5 kV. Die Schutzschaltung besteht im Allgemeinen aus einer Reihenschaltung von zwei Varistoren, die zwischen Außen- und Neutralleiter liegen. Ein Gasableiter greift mit einem Anschlussbein auf den Verbindungspunkt zwischen den Varistoren und mit dem anderen Anschlussbein auf Erde. Damit ergibt sich jeweils zwischen L – Erde und N – Erde eine leckstromfreie Reihenschaltung aus Varistor und Gasableiter. Auch diese Varistoren sind temperaturüberwacht. Hierbei wirkt die durch eine Überlastung verursachte Erwärmung des Varistors auf eine Abtrennvorrichtung, die den Varistor mechanisch vom Netz trennt, bevor gefährliche Temperaturen erreicht werden.

Typische Schutzschaltung eines Überspannungsableiters Typ 3.

Schutzstufenkonzept Mit dem Begriff ”Wirkungsvoller Schutzkreis” wird eine lückenlose Maßnahme zum Schutz vor Überspannungen bezeichnet. Der erste Schritt zur Erarbeitung eines solchen Schutzkonzepts ist die Erfassung aller schutzbedürftigen Geräte und Anlagenbereiche. Dann folgt die Bewertung des erforderlichen Schutzniveaus der erfassten Geräte. Grundsätzlich werden die verschiedenen Stromkreisarten nach folgenden Bereichen unterschieden: Stromversorgung, Mess-, Steuer-, Regeltechnik (MSR), Datenverarbeitung und Telekommunikation (Sende-/Empfangsgeräte).

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme Die zu schützende Anlage oder das zu schützende Gerät muss man sich innerhalb eines Schutzraums vorstellen. An allen Schnittpunkten “Leitung – Schutzkreis” sind SPDs (Überspannungsschutzeinrichtungen) zu installieren, die den Nenndaten des jeweiligen Stromkreises, bzw. der Schnittstelle des zu schützenden Gerätes entsprechen. Damit ist der Bereich innerhalb des Schutzkreises so gesichert, dass leitungsgebundene Überspannungseinkopplungen nicht mehr möglich sind. Dreistufiger Schutz für die Stromversorgung – Schutzstufen 1 und 2 getrennt installiert Schutz- Bezeichnung stufe

SPD Schutz- Üblicher Typ pegel Einbauort

1

Blitzstromableiter

1

2

Überspan2 nungsableiter

≤ 2,5 kV Unterverteilung

3

Geräteschutz 3

≤ 1,5 kV vor dem Endgerät

≤ 4 kV

Hauptverteilung

Für ein dreistufiges Konzept, bei dem alle SPDs an verschiedenen Einbauorten installiert werden, ergibt sich folgender Aufbau.

Dreistufiger Schutz für die Stromversorgung – Schutzstufen 1 und 2 kombiniert Schutz- Bezeichnung stufe

SPD Schutz- Üblicher Typ pegel Einbauort

1+2

Ableiterkombination

1+2 ≤ 2,5 kV Hauptverteilung

3

Geräteschutz 3

≤ 1,5 kV vor dem Endgerät

Für einen dreistufigen Schutz, bei dem die erste und zweite Schutzstufe in einem Gerät kombiniert sind, ergibt sich folgender Aufbau. (nach dem AEC-Prinzip koordiniert)

Zweistufiger Schutz für die Stromversorgung bei geringem Gefährdungspotenzial Das Gefährdungspotenzial in Bezug auf Blitzentladungen ist für niedrige Gebäude, die sich mitten in Wohnsiedlungen befinden und bei denen keine Blitzschutzanlage oder andere geerdete Metallkonstruktionen auf dem Dach installiert sind, relativ gering. Ein direkter Blitzeinschlag ist

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Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme hier, statistisch gesehen, nicht zu erwarten. Wenn diese Bedingungen nach gewissenhafter Prüfung und Beurteilung des Gefährdungspotenzials für das Objekt zutreffen, kann auf die Installation eines Blitzstromableiters Typ 1 verzichtet werden. Schutz- Bezeichnung stufe

SPD Schutz- Üblicher Typ pegel Einbauort

2

Überspan2 nungsableiter

≤ 2,5 kV Haupt- oder Unterverteilung

3

Geräteschutz 3

≤ 1,5 kV vor dem Endgerät

Zweistufiger Schutz mit begrenztem Ableitvermögen ohne Blitzstromableiter.

Netzsysteme Das Netzsystem der Stromversorgung bestimmt, welche Schutzgeräte erforderlich sind, um einen wirkungsvollen Schutz zu erreichen. Die Netzsysteme unterscheiden sich in erster Linie dadurch, ob der Sternpunkt des Versorgungstrafos geerdet ist, der PE-Leiter getrennt oder zusammen mit dem N-Leiter als PEN-Leiter mitgeführt wird. Weitere Unterscheidungen ergeben sich durch die Anzahl der Phasen, Spannungsund Stromart, Frequenz und die Spannungshöhe. Netzsysteme nach DIN VDE 0100-300: • TN-S-System • TN-C-System • TT-System • IT-System

Das TN-S-System

TN-S-System dreiphasig.

TIPP:

In diesem Netzsystem werden Neutralleiter (N) und Schutzleiter (PE) in jeweils einem separaten Leiter geführt. Eine dreiphasige Stromversorgung besteht also aus den fünf Leitungen: L1, L2, L3, N und PE. Abhängig von den Verbraucheranforderungen werden Systeme mit 1 bis 3 Phasen aufgebaut.

Systeme, in denen N und PE getrennt werden, gelten aus Sicht der elektromagnetischen Verträglichkeit als weniger störanfällig als Systeme, in denen PEN-Leiter verwendet werden.

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme Das TN-C-System In diesem Netzsystem werden Neutralleiter (N) und Schutzleiter (PE) in einem Leiter (PEN) geführt. Eine 3-phasige Stromversorgung besteht also aus den vier Leitungen: L1, L2, L3 und PEN. Zur Verwendung eines Leiters für Schutzzwecke und die Stromrückführung, also als PEN-Leiter, muss der Querschnitt TN-C-System 3-phasig. dieses Leiters mindestens 10 mm2 Cu oder 2 16 mm Al betragen. Der Aufbau eines TN-C-Systems begrenzt sich dadurch schon auf Anwendungen mit hohen elektrischen Anschlusswerten, wie z. B. leistungsstarke Maschinen oder die zentrale Stromversorgung von Anlagen und Gebäuden.

Hinweis: Aus Sicht der elektromagnetischen Verträglichkeit ist dieses System störanfälliger als Systeme, in denen N und PE getrennt verlegt sind, wie z. B. beim TN-S-System.

Das TT-System In diesem Netzsystem ist ein Punkt, im Allgemeinen der Sternpunkt des Transformators, direkt geerdet (Betriebserder). Der geerdete Punkt wird in den meisten Fällen als N-Leiter in die Anlage geführt. Die Körper der elektrischen Anlage sind mit Erdern verbunden, die vom Betriebserder getrennt sind. Das TT-System 3-phasig. heißt, direkt an einer Anlage oder einem Gebäude wird eine lokale Erdung aufgebaut. Diese Erdung dient als Hauptpotenzialausgleich. In diesem Netzsystem werden Neutralleiter (N) und Schutzleiter (PE) in jeweils einem separaten Leiter geführt. Eine 3-phasige Stromversorgung besteht also aus den fünf Leitungen: L1, L2, L3, N und dem PE aus der lokalen Erdung. Abhängig von den Verbraucheranforderungen werden Systeme mit 1 bis 3 Phasen aufgebaut.

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme Wandlung von Netzsystemen innerhalb einer Anlage

Wandlung eines 3-phasigen TN-C-Systems in ein 3-phasiges TN-S-System.

In der Praxis kommt es häufig vor, dass Netzsysteme innerhalb einer Anlage wechseln. Beispiel: Wandlung eines TN-C-Systems in ein TN-S-System. In diesem Fall wird der PEN-Leiter in jeweils einen separaten PE-Leiter und einen N-Leiter aufgeteilt. Aus einem 4-Leiter-T-N-C-System (L1, L2, L3, PEN) wird somit ein 5-Leiter-TN-S-System (L1, L2, L3, N, PE).

Tipps zur Installation Tipps zur Installation für Blitzstromableiter Typ 1 Der typische Einbauort für Blitzstromableiter Typ 1 als erste Schutzstufe ist die zentrale Stromversorgung von Gebäuden oder Anlagen. Der Anschlussquerschnitt gem. DIN EN 62305-1 beträgt min. 16 mm2. Die Absicherung der Schutzgeräte ist nach den angegebenen Anschlusswerten des Herstellers auszulegen. Typisch für diese SPDs sind Sicherungswerte in Höhe von max. 250 A gG bis 315 A gG. Sind die Anlagen-Vorsicherungen größer ausgelegt, müssen den SPDs entsprechend kleinere, selektiv auf die Anlagensicherung abgestimmte Sicherungen vorgeschaltet werden. Installationshinweise für Überspannungsableiter Typ 2 Der typische Einbauort für Überspannungsableiter Typ 2 als zweite Schutzstufe ist die Stromkreisverteilung/Unterverteilung oder die Einspeisung von Schaltschränken und Steuerungen an Maschinen. Die Schutzgeräte sind vor den Fehlerstromschutzeinrichtungen zu installieren. So werden die Kontakte des FI-Schutzschalters nicht durch die hohen Ableitströme belastet und unnötige Abschaltungen des sensiblen Summenstromwandlers vermieden. Der Anschlussquerschnitt gem. DIN EN 62305-1 beträgt min. 6 mm2. Die Absicherung der Schutzgeräte ist nach den angegebenen Anschlusswerten des Herstellers auszulegen. Typisch für diese SPDs sind Sicherungswerte in Höhe von max. 125 A gG. Sind die Anlagenvorsicherungen größer ausgelegt, müssen den SPDs entsprechend kleinere, selektiv auf die Anlagensicherung abgestimmte Sicherungen vorgeschaltet werden.

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme Installationshinweise für Überspannungsableiter Typ 3 (Geräteschutz) Die Überspannungsableiter Typ 3 werden unmittelbar vor dem zu schützenden Gerät installiert. Damit wird verhindert, dass erneut Überspannungen in die bereits geschützte Leitung einkoppeln. Aus diesem Grund ist auch darauf zu achten, dass bereits geschützte lose Anschlussleitungen des Geräts nicht parallel mit ungeschützten Leitungen geführt werden. Bei der Absicherung eines Stromkreises ist auch der Nennstrom der installierten Überspannungsschutzgeräte zu berücksichtigen. Im Allgemeinen ist der Nennstrom der Schutzgeräte den praktischen Anwendungsfällen so angepasst, dass übliche Stromkreissicherungen verwendet werden können, wie z. B. 16 A.

Leitungslängen und Zusatzspannung Zusatzspannungen entstehen aufgrund von Stoßströmen bzw. Blitzteilströmen über den Anschlussleitungen der Schutzgeräte. Der ohmsche Widerstand einer Leitung spielt beim Überspannungsschutz nur eine untergeordnete Rolle. Der induktive Anteil der Leitungen wirkt sich jedoch aus. Die großen Stromänderungen in kürzester Zeit verursachen im induktiven Anteil einer Leitung Spannungen bis zu einigen kV. Bei objektiver Beurteilung der Gefährdung des betreffenden Anlagenteils sind die Zusatzspannungen zu ermitteln und zur Begrenzungsspannung des Schutzgeräts zu addieren. Spannungen über den Anschlussleitungen des SPDs. Darstellung der Zusatzspannung.

UA = Restspannung UZ1 und UZ2 = induktive Zusatzspannungen Umax = maximale Überspannung zwischen stromführendem Leiter und Potenzialausgleichschiene i = Blitzteilstrom

Absicherung von Überspannungsschutzgeräten Die Absicherung der Schutzgeräte ist nach den angegebenen Anschlusswerten des Herstellers auszulegen. Sind die AnlagenVorsicherungen größer ausgelegt, müssen den Ableitern entsprechend kleinere, selektiv auf die Anlagensicherung abgestimmte Sicherungen vorgeschaltet werden.

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme Stichleitung und V-förmiger Anschluss, T- / V- Verdrahtung Man unterscheidet insbesondere bei Blitzstromableitern Typ 1 zwischen Stichleitungsanschluss und V-förmigem Anschluss. Beim Stichleitungsanschluss werden über eine Leitung die Ableiteranschlüsse mit dem Hauptstromversorgungssystem verbunden. Es ergibt sich eine T-förmige Anschlussgeometrie. Bei dieser Anschlussart kann die Anlagenvorsicherung F1 größer sein, als die max. zulässige Vorsicherung des Ableiters F2. Der Ableiter wird zusätzlich im Leitungsstich entsprechend separat abgesichert. Wenn die Vorsicherung F2 abschaltet, ist der zugehörige Schutzpfad und damit die Schutzwirkung vom Netz getrennt. Darum sollte F2 gegen Ausfall überwacht werden, damit der Fehler schnell erkannt und behoben werden kann. Gleichzeitig sollte die Funktionsfähigkeit des SPDs überprüft werden. Beim V-förmigen Anschluss werden die kommenden und abgehenden Leitungen jeweils direkt an einer Klemme des Schutzgerätes angeschlossen. Mögliche Zusatzspannungen Uz werden damit auf ein Minimum begrenzt. In diesem Fall darf die Anlagensicherung die max. Vorsicherung des Ableiters nicht überschreiten. Diese Anschlussmöglichkeiten können auch auf Ableiterkombinationen Typ 1+2 und auf Überspannungsableiter Typ 2 angewendet werden.

Stichleitungsanschluss (T-förmiger Anschluss)

V-förmiger Anschluss

Fernmeldung Viele Schutzgeräte verfügen zusätzlich über einen Fernmeldekontakt. Dieser Kontakt kann dazu benutzt werden, ein Signal an eine zentrale Meldestelle oder Steuerung zu leiten. Der Betriebszustand des Schutzgeräts kann damit permanent überwacht werden.

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme Potenzialausgleich Möglichkeiten eines wirkungsvollen Überspannungsschutzes: • vollständige Isolierung gegen Erde • vollständiger Potenzialausgleich (nach Gefährdungsanalyse): - äußerer Blitzschutz (Blitzableiter) plus innerer Blitzschutz (Blitzstrom- und Überspannungsableiter) - innerer Blitzschutz (Blitzstrom- und Überspannungsableiter) - innerer Überspannungsschutz (Überspannungsableiter) Eine vollständige Isolierung gegen Erde ist für viele praktische Anwendungen nicht möglich. Deshalb wird im Regelfall ein vollständiger Potenzialausgleich aufgebaut. Beim vollständigen Potenzialausgleich werden alle elektrisch leitfähigen Teile (mit Ausnahme der betriebsmäßig Spannung führenden Teile) direkt mit Potenzialausgleichsleitungen verbunden. Die elektrisch aktiven Teile (mit Netzspannung, MSR-Signalen, Datensignalen, etc.) werden mit Hilfe von Überspannungsschutzgeräten an das Potenzialausgleichsystem angeschlossen. Im normalen Betriebszustand sind Überspannungsschutzgeräte hochohmig. Wenn es zu einer transienten Überspannung kommt, werden die Schutzgeräte kurzzeitig niederohmig, d.h. leitfähig. So werden alle elektrisch leitfähigen Teile und alle elektrisch aktiven Teile auf annähernd gleiches Potenzial gebracht und Überspannungsschäden wirkungsvoll verhindert. Basis für einen wirkungsvollen Potenzialausgleich ist ein niederohmiges bzw. niederimpedantes Potenzialausgleichsystem. Bei Potenzialausgleichsystemen unterscheidet man: • linienförmiger Potenzialausgleich • sternförmiger Potenzialausgleich • maschenförmiger Potenzialausgleich

Vollständiger Potenzialausgleich

Sternförmiger Potenzialausgleich

Linienförmiger Potenzialausgleich

Maschenförmiger Potenzialausgleich

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme

Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen Schutz durch Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen

Beachte: In Verbraucheranlagen ist in punkto Sicherheit den Fehlerstrom(FI-)Schutzeinrichtungen uneingeschränkt der Vorzug gegenüber alternativen Schutzeinrichtungen zu geben. Über den Fehlerschutz (Schutz bei indirektem Berühren) hinaus bieten FI-Schutzeinrichtungen mit Bemessungsdifferenzströmen bis 30 mA auch den “zusätzlichen Schutz” (Schutz bei direktem Berühren). Auch Brände durch Erdschlussströme können im Entstehen verhindert werden. Bei Ausführung der Schutzmaßnahme “Automatische Abschaltung der Stromversorgung” mit einer Fehlerstrom-Schutzeinrichtung ist die Grundvoraussetzung, dass ein entsprechend geerdeter Schutzleiter an die zu schützenden Anlagenteile und Betriebsmittel geführt ist. Ein Stromfluss über einen Menschen kann dann nur beim Auftreten von zwei Fehlern (zusätzlich zum Isolationsfehler auch Unterbrechung des PELeiters) oder beim unbeabsichtigten Berühren aktiver Teile auftreten. Zusätzlicher Schutz (Schutz bei direktem Berühren) mit I∆n ≤ 30 mA Unter direktem Berühren versteht man den direkten Kontakt eines Menschen mit einem betriebsmäßig unter Spannung stehenden aktiven Teil. Sofern ein Mensch aktive Teile berührt, bestimmen zwei in Reihe liegende Widerstände die Höhe des fließenden Stroms – der Innenwiderstand des Menschen Rm und der Standortübergangswiderstand Rst. Für die Unfallbetrachtung muss der ungünstigste Fall mit Standortwiderstand nahe null angenommen werden. Der Körperwiderstand ist abhangig vom Stromweg und dem Übergangswiderstand der Haut. Messungen ergaben z. B. ca. 1.000 Ω für den Stromweg Hand/Hand oder Hand/Fuß. Unter diesen Annahmen ergibt sich bei einer Berührungsspannung von 230 V ein gefährlicher Körperstrom von 230 mA. Gefährlich sind Stromstärken und Einwirkungsdauern, die in den Bereich 4 des Diagramms reichen. Hier kann es durch Herzkammerflimmern zum Tod des Betroffenen kommen. Eingetragen sind auch die Auslösebereiche von Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen mit Bemessungsdifferenzstrom von 10 mA und 30 mA. Dabei sind die max. zulässigen Auslösezeiten nach VDE 0664-10 eingetragen. Wie aus den Auslösekurven zu entnehmen ist, begrenzen Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen nicht die Höhe des Fehlerstroms, sondern erzielen die Schutzwirkung durch die rasche Abschaltung und damit geringe Einwirkungsdauer des Stroms.

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme

Wirkungsbereiche von Wechselstrom 50/60 Hz auf den Menschen Bereich 1: Einwirkungen sind üblicherweise nicht wahrnehmbar. Bereich 2: Medizinisch schädliche Einwirkungen und Muskelverkrampfungen treten üblicherweise nicht auf. Bereich 3: Muskelverkrampfungen können auftreten. Die Gefahr des Herzkammerflimmerns besteht üblicherweise nicht. Bereich 4: Herzkammerflimmern kann auftreten.

Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen mit einem Bemessungsdifferenzstrom I∆n ≤ 10 mA liegen mit der Auslösekennlinie im Bereich 2 unterhalb der Loslassgrenze. Medizinisch schädliche Einwirkungen und Muskelverkrampfungen treten üblicherweise nicht auf. Sie sind damit besonders für sensitive Bereiche wie Badezimmer geeignet. Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen mit einem Bemessungsdifferenzstrom I∆n ≤ 30 mA erfüllen die Bedingungen zum zusätzlichen Schutz gegen elektrischen Schlag: • bei unbeabsichtigtem, direktem Berühren betriebsmäßig unter Spannung stehender Teile (z. B.: Versagen der Basisisolierung, nicht bestimmungsgemäßer Betrieb, Unwirksamkeit des Basisschutzes) • bei Sorglosigkeit des Benutzers (z. B. Verwendung defekter Geräte, unsachgemäße Reparaturen an Anlagen und Betriebsmitteln), • beim Berühren fehlerhaft unter Spannung stehender Teile (z. B. Versagen des Fehlerschutzes bei Unterbrechung des Schutzleiters) Der Einsatz von Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen mit einem Bemessungsdifferenzstrom bis 30 mA hat sich dabei als zusätzlicher Schutz beim Versagen der Basisschutzvorkehrung (Schutz gegen direktes Berühren) und/oder Fehlerschutzvorkehrung (Schutz bei indirektem Berühren) ebenso wie bei Sorglosigkeit des Benutzers im Umgang mit elektrischen Betriebsmitteln bewahrt. Allerdings darf dies nicht das

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme alleinige Mittel des Schutzes gegen elektrischen Schlag sein. Die Anwendung einer nach DIN VDE 0100-410 geforderten weiteren Schutzmaßnahme wird damit nicht ersetzt. Die Forderung des “zusätzlichen Schutzes” mit Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen nach den Abschnitten 411.3.3 und 415.1 in DIN VDE 0100-410 bedeutet nicht, dass die Anwendung dieses Schutzes dem Anwender freigestellt ist. Vielmehr kann dieser zusätzliche Schutz unter bestimmten äußeren Einflüssen und in bestimmten speziellen Bereichen gemeinsam mit weiteren Schutzmaßnahmen gefordert sein. In mehreren Teilen der Normen der Gruppen 4 und 7 von DIN VDE 0100 wird dieser zusätzliche Schutz gefordert oder ausdrücklich empfohlen. Beispielhaft werden hier einige bedeutsame Anforderungen näher erläutert. In der allgemein gültigen Errichtungsnorm für den Schutz gegen elektrischen Schlag DIN VDE 0100-410:2007-06 wird für den zusätzlichen Schutz der Einsatz von FI-Schutzeinrichtungen mit Bemessungsdifferenzstrom ≤ 30mA gefordert für • alle Steckdosen mit einem Bemessungsstrom ≤ 20 A, wenn diese für die Benutzung durch Laien und zur allgemeinen Verwendung bestimmt sind. • Endstromkreise für im Außenbereich verwendete tragbare Betriebsmittel mit einem Bemessungsstrom ≤ 32 A .

Hinweis: In DIN VDE 0100-410:06-2007 werden zu diesen Forderungen zwar zwei Ausnahmen genannt, diese sind aber für die Mehrzahl der Anwendungen üblicherweise nicht zutreffend. Nur bei Steckdosen, die ausschließlich durch Elektrofachkräfte und elektrotechnisch unterwiesene Personen benutzt werden (z.B. in elektrischen Betriebsstatten) oder wenn sichergestellt ist, dass die Steckdose dauerhaft nur für ein “bestimmtes Betriebsmittel” genutzt wird, darf von der normativen Forderung des zusätzlichen Schutzes abgewichen werden.

In der Norm DIN VDE 0100-723:2005-06 “Anforderungen für Betriebsstätten, Räume und Anlagen besonderer Art - Unterrichtsräume mit Experimentiereinrichtungen” müssen zur Versorgung der Experimentiereinrichtungen und deren Stromkreise in TN- oder TTSystemen Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen des Typs B mit einem Bemessungsdifferenzstrom ≤ 30mA vorgesehen werden.

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme Fehlerschutz (Schutz bei indirektem Berühren) Unter indirektem Berühren versteht man den Kontakt eines Menschen mit einem betriebsmäßig nicht unter Spannung stehenden, elektrisch leitfähigen Teil. Gefordert ist in diesen Fällen die automatische Abschaltung der Stromversorgung, wenn durch einen Fehler aufgrund der Größe und Dauer der auftretenden Berührungsspannung ein Risiko entstehen kann. Hierzu sind auch Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen mit Bemessungsdifferenzströmen über 30 mA geeignet. Um die Schutzwirkung zu erzielen, sind die Abschaltbedingungen einzuhalten. Hierzu darf die gefährliche Berührungsspannung unter Berücksichtigung des Erdungswiderstands und Bemessungsdifferenzstroms nicht unzulässig lange anstehen.

Brandschutz DIN VDE 0100-482 fordert für “feuergefährdete Betriebstätten” Maßnahmen zur Verhütung von Bränden, die durch Isolationsfehler entstehen können. Danach müssen Kabel- und Leitungsanlagen in TNund TT-Systemen mit Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen mit einem Bemessungsdifferenzstrom I∆n ≤ 300 mA geschützt werden.

TIPP: Ausgenommen sind davon mineralisierte Leitungen und Stromschienensysteme.

Bei Anwendungen, in denen widerstandsbehaftete Fehler einen Brand entzünden können (z. B. bei Deckenheizungen mit Flächenheizelementen), muss der Bemessungsdifferenzstrom I∆n ≤ 30 mA betragen. Der Schutz vor Bränden durch Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen sollte aber nicht nur auf die feuergefährdeten Betriebsstätten beschränkt bleiben, sondern grundsätzlich genutzt werden.

Fehlerstromschutzeinrichtungen Je nach elektronischer Schaltung im Stromkreis können unterschiedliche Fehlerstromformen auftreten. Da sich FI-Schutzeinrichtungen in ihrer Eignung für die Erfassung von Fehlerstromformen unterscheiden, ist bei ihrer Auswahl der entsprechende Verbrauchereingangskreis zu berücksichtigen.

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme Einteilung der FehlerstromSchutzeinrichtungen in unterschiedliche Typen mit Auslösebereichen.

Mögliche Fehlerstromformen und geeignete FehlerstromSchutzeinrichtungen

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme Typ AC: Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen Typ AC sind lediglich zur Erfassung von sinusförmigen Wechselfehlerströmen geeignet. Dieser Gerätetyp ist in Deutschland entsprechend DIN VDE 0100-530 nicht zur Realisierung der Schutzmaßnahme mit FI-Schutzeinrichtung zugelassen und kann kein VDE-Zeichen erhalten. Typ A: Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen Typ A erfassen neben sinusförmigen Wechselfehlerströmen auch pulsierende Gleichfehlerströme. Dieser Gerätetyp ist in Deutschland die üblicherweise eingesetzte pulsstromsensitive Fehlerstrom-Schutzeinrichtung. Damit werden auch die bei einphasigen Verbrauchern mit elektronischen Bauteilen im Netzteil (z. B. EVG, Dimmer) möglichen Fehlerstromformen beherrscht. Dieser Typ von FI-Schutzeinrichtungen ist geeignet für elektronische Betriebsmittel mit Eingangsstromkreisen Nr. 1 bis 6 in der Tabelle. Typ B: Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen Typ B dienen, neben der Erfassung der Fehlerstromformen des Typs A, auch zur Erfassung von glatten Gleichfehlerströmen. Die Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen dieses Typs sind für den Einsatz im Drehstromsystem mit 50/60 Hz auch vor den Eingangsstromkreisen Nr. 7 bis 10 in der Tabelle und damit für alle dargestellten Stromkreise geeignet.

Einteilung von Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen FI-Schutzeinrichtungen werden entsprechend ihrer unterschiedlichen Ausführung unterteilt. • RCD ist der Oberbegriff für alle Arten von FehlerstromSchutzeinrichtungen (MRCD, CBR, RCCB, RCBO, PRCD, SRCD). • RCCB sind die in Deutschland unter dem Namen FehlerstromSchutzschalter (FI-Schutzschalter) bekannten Geräte ohne eingebaute Überstrom-Schutzeinrichtung. RCBO: RCBO sind Geräte, die neben dem Schutz vor Fehlerströmen auch eine eingebaute Überstrom-Schutzeinrichtung für den Überlast- und Kurzschlussschutz in einem Gerät vereinen (FI/LS-Schalter). Eine weitere Version in dieser Gerätegruppe sind die Fehlerstrom-Blöcke (FI-Blöcke, RC units). An diese FI-Blöcke können dann vom Kunden die für den Anwendungsfall gewünschten Ausführungen von Leitungsschutzschaltern (Charakteristik, Bemessungsstrom, Schaltvermögen) angebaut werden. Nach diesem Zusammenbau bieten

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme diese Geräte die gleichen Funktionen wie die FI/LS-Schalter. Dabei beinhaltet der FI-Block die Fehlerstromerfassung, aber keine eigenen Kontakte, sondern löst über die Kopplung im Fehlerfall den Leitungsschutzschalter aus, der die Kontakte öffnet und den Stromkreis trennt.

Hinweis: RCCB und RCBO sind bezüglich der Auslösebedingungen für wechsel- und pulsierende Fehlerströme (Typ A) in Deutschland und in den meisten europäischen Ländern für die Schutzmaßnahme mit Abschaltung nur in netzspannungsunabhängiger Ausführung zugelassen. Nur derartige RCCB und RCBO können das VDE-Zeichen erhalten.

CBR: CBR sind Leistungsschalter mit Fehlerstromschutz nach DIN EN 60947-2 (VDE 0660-101) Anhang B. Hier wird die Fehlerstrom-Erfassung fest an einen Leistungsschalter angebaut und stellt so den Fehlerstromschutz sicher. MRCD: MRCD sind Geräte, die modular aufgebaut sind, das heißt FehlerstromErfassung (über Wandler), Auswertung und Auslösung (über Leistungsschalter) erfolgen in getrennten Baugruppen (entsprechend DIN EN 60947-2 (VDE 0660-101) Anhang M).

Hinweis: CBR und MRCD sind insbesondere für Anwendungen mit höheren Bemessungsströmen (> 125 A) vorgesehen.

PRCD: PRCD sind ortsveränderliche Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen, die z. B. in Stecker oder in Steckdosenleisten integriert sind. SRCD: SRCD nach DIN VDE 0662 sind ortsfeste Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen, die in eine Steckdose eingebaut sind bzw. mit einer Steckdose eine Baueinheit bilden.

Hinweis: PRCD und SRCD sind zur Schutzpegelerhöhung bei Anwendungen, in denen die geforderte Schutzmaßnahme auf andere Weise sichergestellt ist, einsetzbar. Für die Realisierung einer Schutzmaßnahme mit Abschaltung sind sie nicht zugelassen.

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme

Auswahl der geeigneten Fehlerstrom-Schutzeinrichtung.

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme Installations- und Anwendungstipps Ableitströme Unter Ableitströmen versteht man Ströme, die zur Erde abfließen, ohne dass ein Isolationsfehler vorliegt. Sie können als statische oder dynamische Ableitströme auftreten und bei Überschreitung des Auslösewerts den FI-Schutzschalter zum Abschalten veranlassen. Sie sind deshalb bei der Auswahl des Bemessungsdifferenzstroms I∆n des FI-Schutzschalters zu berücksichtigen und erforderlichenfalls so zu minimieren, dass das gewünschte Schutzziel zu erreichen ist. •

Statische Ableitströme Statische Ableitströme fließen beim Betrieb des Verbrauchers ohne Vorliegen eines Isolationsfehlers ständig gegen Erde/PE-Leiter ab. Häufig handelt es sich dabei zu einem hohen Anteil um Ableitströme über Leitungs- und Filterkapazitäten. In bestehenden Anlagen kann der stationäre Ableitstrom mithilfe eines Ableitstrom-Messgeräts gemessen werden. Für einen problemlosen Betrieb von FI-Schutzeinrichtungen im praktischen Einsatz sollte der stationäre Ableitstrom ≤ 0,3 • I∆n sein.

•

Dynamische Ableitströme Bei dynamischen Ableitströmen handelt es sich um kurzzeitig auftretende Ströme gegen Erde/PE-Leiter. Insbesondere beim Schalten von Geräten mit Filterbeschaltungen treten diese Ableitströme im Bereich von wenigen µs bis in den ms-Bereich auf. Die Zeitdauer hängt neben der Zeitkonstante, die sich aus Impedanzen des Stromkreises ergibt, insbesondere vom Schaltgerät ab, mit dem der Filter an Spannung gelegt wird. Durch die ungleichmäßige Kontaktgabe der einzelnen Schaltkontakte ergeben sich je nach Aufbau der Filterbeschaltung kurzzeitig große Kapazitätswerte gegen PE, die sich nach vollständigem Einschalten durch Sternschaltung der Kapazitäten auf kleine Restkapazitäten gegen PE verringern. Die Höhe dieser dynamischen Ableitströme kann einige Ampere betragen und somit auch unverzögerte FI-Schutzschalter mit I∆n = 300 mA zum Auslösen bringen. Der Spitzenwert des dynamischen Ableitstroms ist oszilloskopisch im PE-Leiter zu ermitteln. Dabei ist auf eine isolierte Aufstellung der Betriebsmittel zu achten, so dass der gesamte Ableitstrom über den Messpfad zurückfließen kann. Um ungewünschte Auslösungen in diesen Anwendungsfällen zu vermeiden, wird der Einsatz von superresistenten FI-Schutzeinrichtungen (Typ K) empfohlen.

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme Hohe Lastströme Auch ohne Ableitströme kann es zu ungewollten Auslösungen eines FISchutzschalters durch hohe Lastströme (> 6-facher In ) kommen. Durch diese hohen Laststromspitzen kann es aufgrund der nicht absolut symmetrisch angeordneten Primärleiter und nicht vollständig geschlossenen Sekundärwicklung auf dem Umfang des FISummenstromwandlers zu unterschiedlichen Magnetisierungen im magnetischen Bandkern kommen, die ein Auslösesignal erzeugen. Auch direkte Einstrahlungen des magnetischen Felds um den stromführenden Leiter auf den Haltemagnet-Auslöser können zur Auslösung führen. FI-Schutzschalter sind nach Produktnorm bis zum 6-fachen Bemessungsstrom gegen ungewolltes Auslösen resistent.

Hinweis: Hohe Laststromspitzen werden insbesondere beim Direktanlauf von Motoren, Lampenlasten, Heizwicklungen, kapazitiven Lasten (Kapazitäten zwischen L und N) und beim Betrieb von medizinischen Geräten wie Kernspintomograf, Röntgenanlagen erzeugt.

Überspannungen und Stoßstrombelastung Bei Gewittern können atmosphärische Überspannungen in Form von Wanderwellen über das Versorgungsnetz in die Installation einer Anlage eindringen und dabei Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen ungewollt auslösen. Zur Vermeidung dieser unerwünschten Abschaltungen werden Siemens Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen einer Prüfung mit der genormten Stromform 8/20 µs unterzogen. Diese Prüfung ist in den Gerätebestimmungen DIN EN 61008 (VDE 0664) nur für selektive Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (i = 3 kA) gefordert. Siemens Fehlerstrom-Schutzschalter des Typs A und B bieten in allen Ausführungen eine deutlich höhere Stoßstromfestigkeit. Dadurch sinkt die Neigung zu Fehlauslösungen in der Praxis deutlich. Ableitstrommessung Wenn durch eine nicht fachgerechte Anlagenprojektierung, d. h. aufgrund einer hohen Anzahl an elektrischen Verbrauchern, eine Häufung der betriebsmäßigen Ableitströme auftritt oder elektrische Verbraucher mit hohen Ableitströmen eingesetzt sind, kann je nach Betriebszustand der elektrischen Anlage der Auslösestrom der vorgeschalteten Fehlerstrom-Schutzeinrichtung überschritten werden. Diese Auslösungen sind ungewollt. Als Empfehlung für den praktischen Betrieb ohne ungewollte Auslösungen von Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen gilt, dass der im ungestörten Betrieb in der Anlage fließende Ableitstrom kleiner als der

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Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme 0,3-fache Bemessungsdifferenzstrom sein soll. Um den Anlagenzustand einfach erfassen und gegebenenfalls auch überwachen zu können, lässt sich ein Ableitstrom-Messgerät in Reihe zur Fehlerstrom-Schutzeinrichtung in die Anlage schalten. Mit diesem Gerät kann der in der Anlage während des normalen Betriebs fließende Ableitstrom gemessen werden. Die Funktion des Ableitstrom-Messgeräts ist dabei dieselbe wie bei der Fehlerstrom-Schutzeinrichtung. Es erfolgt lediglich keine Abschaltung, sondern der Ableitstrom wird über die von vorne zugänglichen Messbuchsen in eine Spannung umgewandelt, die über einem hochohmigen Spannungsmessgerät abgelesen werden kann. Die mitgelieferte Eichkurve erlaubt den Rückschluss auf den Ableitstrom.

Hinweis: Aus Gründen des grundsätzlichen Brandschutzes wird der Einsatz von Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen mit maximal 300 mA Bemessungsdifferenzstrom empfohlen.

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme Errichtungsbestimmungen für Installationsanlagen mit Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen Bestimmung (DIN VDE ... oder BGI ...)

Anwendungsbereich

0100-410

Schutz gegen elektrischen Schlag Steckdosen bis 20 A, Anlagen im Freien Brandschutz bei besonderen Risiken oder Gefahren NiederspannungsStromerzeugungsanlagen Räume mit Badewanne oder Dusche, Steckdosen im Bereich 3 Becken von Schwimmbädern und andere Becken Räume und Kabinen mit Saunaheizungen Baustellen, Steckdosenstromkreise bis 32 A und für handgehaltene Betriebsmittel, Steckvorrichtungen In > 32 A

0100-482 0100-551

Geforderter Empfohlene Siemens FI-Schutzeinrichtung I∆n (mA) 5SM... 5SM3 5SM...(Typ A) SIQUENCE KK12 (Typ B) SIGRES 30 ... 500 + + + 10 ... 30

+

30 und 300 +

+

10 ... 30

+

10 ... 30

+

10 ... 30

+

+

10 … 30

+

+

≤ 30 mA

+

+

+

≤ 500 mA

+

+

+

≤ 300 10 ... 30 10 ... 30

+ + +

+ +

Elektrische Anlagen auf Campingplätzen, jede Steckdose einzeln Medizinisch genutzte Bereiche im TN-S-System je nach Anwendungsgruppe 1 oder 2 und nach Betriebsmittel Solar-PV-Stromversorgungssysteme (ohne einfache Trennung)

10 ... 30

+

+

10 ... 30 + oder ≤ 300 + ≤ 300

+ + +

0100-723

Unterrichtsräume mit Experimentierständen

10 ... 30

+

0100-739

Zusätzlicher Schutz bei direktem Berühren in Wohnungen

10 ... 30

0100-701 0100-702 0100-703 0100-704 und BGI 608 0100-705

0100-706

0100-708 0100-710

0100-712

Landwirtschaftliche und gartenbauliche Anwesen allgemein, Steckdosenstromkreise Leitfähige Bereiche mit begrenzter Bewegungsfreiheit festangebrachte Betriebsmittel

+

Allgemeine DIN EN 50178 Ausrüstung von + Starkstromanlagen mit elek- Anforderungen (VDE 0160) tronischen Betriebsmitteln an korrekte

+

Auswahl

0832-100

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StraßenverkehrsSignalanlagen Klasse T1 Klasse U1 Nahrungsmittel- und chemische Industrie

≤ 300 + ≤ 30 + empfohlen + ≤ 30 mA

+ + +

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme

Grundlagen von Sicherungssystemen Funktion, Technische Daten und Kennlinien Sicherungen oder genauer, die Engstellen im Schmelzleiter, sind die “Sollbruchstellen” des Stromkreises. Sie erwärmen sich schneller und stärker als alle anderen Stellen im Leitungszug und schmelzen bei richtiger Dimensionierung bevor andere Komponenten durch einen Überstrom Schaden nehmen können. Der Restquerschnitt (Summe aller parallelen Engstellen) einer Sicherung für den Kabel- und Leitungsschutz (gG-Sicherung) beträgt nur etwa 1 bis 2 % des Querschnitts der angeschlossenen zu schützenden Leiter. Bei Sicherungen für den Halbleiterschutz (aR oder gR-Sicherung) liegt er sogar noch deutlich darunter. Es lässt sich leicht erkennen, dass für die Herstellung der Engstellen und des gesamten Schmelzleiters größte Präzision der Fertigungseinrichtungen und enge Toleranzen des Schmelzleitermaterials erforderlich sind. Temperaturmessungen an den Engstellen der Schmelzleiter sind technisch sehr aufwändig und wenig genau. Deshalb werden in den Siemens Entwicklungslabors numerische Berechnungen der Temperaturverteilung im Schmelzleiter durchgeführt, die besonders im Kurzzeitbereich eine sehr gute Vorhersage des Schmelzverhaltens ermöglichen. Sobald ein unzulässiger Überstrom lange genug fließt, um die Engstellen zu schmelzen, bilden sich dort Lichtbögen und die Stromunterbrechung wird eingeleitet. Bei Kurzschlussströmen (sehr großen Überströmen) erwärmen sich alle Engstellen gleichzeitig so schnell, dass sie explosionsartig verdampfen. Der Metalldampf wird mit hohem Druck in die Zwischenräume zwischen den Sandkörnern gepresst und an deren Oberfläche intensiv gekühlt. Hierdurch wird der Druck im Inneren der Sicherung begrenzt. Die Korngröße des Sandes und der Füllfaktor spielen dabei eine ausschlaggebende Rolle für den erfolgreichen Verlauf des Ausschaltvorgangs. Ist der Sand zu dicht gepackt (durch hohen Staubanteil), entsteht ein extrem hoher Druck, der den Sicherungskörper zum Bersten bringen kann. Ist zwischen den Sandkörnern zu viel Hohlraum, kann sich der Lichtbogen bis zur Keramikoberfläche oder zu den Abdeckplatten ausbreiten und diese zerstören. Bei richtiger Auslegung und sorgfältiger Fertigung kühlt der Sand durch seine Schmelzwärme den Lichtbogen so intensiv, dass seine Brennspannung die Netzspannung überschreitet und der Strom bereits vor dem natürlichen Nulldurchgang eines 50 HzWechselstroms erlischt. Der Scheitelwert des unbeeinflussten Kurzschlussstroms (ohne Schutz durch Sicherungen) wird erst gar nicht erreicht. Die strombegrenzende Wirkung ist die wertvollste Eigenschaft von Schmelzsicherungen, denn in Bezug auf Strombegrenzung übertreffen sie alle anderen Überstromschutzeinrichtungen.

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme Kurzschlussstrombegrenzung

ts Schmelzzeit tLB Lichtbogenzeit tA Ausschaltzeit

Kurzschlussströme weisen häufig einen sehr hohen ersten Scheitelwert auf, den Stoßkurzschlussstrom Ip. Dessen magnetische Kraftwirkung steigt mit dem Quadrat des Stromwerts (K ~ Ip2) und kann zu extrem hohen Beanspruchungen der stromführenden Leiter, deren Isolierungen und Befestigungseinrichtungen führen. Sicherungen begrenzen den Kurzschlussstrom auf ihren Durchlassstrom, der in der Regel weit unter dem zu erwartenden Stoßkurzschlussstrom liegt. Die magnetischen Kurzschlusskräfte und der Aufwand für die mechanische Konstruktion der Anlage bleiben dadurch sehr gering. Nicht nur der Durchlassstrom, sondern auch die Durchlassenergie, ausgedrückt in I2t-Werten, wird durch strombegrenzende Sicherungen deutlich reduziert. Das betrifft besonders die bei einem Lichtbogenfehler an der Fehlerstelle freigesetzte zerstörerische Energie. Strombegrenzung ist daher gleichbedeutend mit Schadensbegrenzung, d. h. Verminderung von direkten und indirekten Schäden durch Hitzeeinwirkung und Verminderung der Gefährdung von Personen bei Arbeiten unter Spannung.

Hinweis: Strombegrenzende Sicherungen können bei Lichtbogenstörungen Sachschäden nicht völlig verhindern und das Verletzungsrisiko von Personen nicht ausschließen. Sie vermindern jedoch die Auswirkungen solcher Störungen in höchstem Maße.

Schmelzleiter aus Kupfer haben eine Schmelztemperatur von 1.080 °C, Silberschmelzleiter von 960 °C. Sie eignen sich deshalb in reiner Form nur für das Abschalten hoher Überströme, bei denen die Schmelztemperaturen sehr schnell erreicht werden. Lang anhaltende Überströme, bei denen die Schmelztemperaturen nicht ganz oder nur schleichend erreicht werden, erwärmen den Sicherungseinsatz so stark, dass die Kontakte ausglühen und benachbarte Anlagenteile zerstört werden können.

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Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme Reine Silber- oder Kupferschmelzleiter ohne Zusätze zum Herabsetzen des Schmelzpunkts haben deshalb immer einen “verbotenen” Strombereich, in dem ein Betrieb nicht zulässig ist. Sie können nur als Teilbereichssicherungen für den Kurzschlussschutz eingesetzt werden. Sind kleinere Überströme nicht auszuschließen, müssen Teilbereichssicherungen stets mit zusätzlichen Schutzeinrichtungen für diesen Strombereich kombiniert werden. Zum Abschalten von Überlasten (relativ kleiner Überströme) wird ein Material mit niedrigem Schmelzpunkt, meistens Zinn oder Zinnlegierungen, als Reaktionslot an der wärmsten Stelle des Schmelzleiters aufgetragen. Diese befindet sich in der Regel an einer Engstelle in der Schmelzleitermitte. Sobald das Lot schmilzt, reagiert es mit dem Schmelzleitermaterial der benachbarten Engstelle und löst diese auf. Dieser Effekt des Lots wird auch “M-Effekt” genannt. Der M-Effekt bewirkt ein Verschieben der Strom/Zeit-Kennlinie zu kleineren Strömen im oberen Zeitbereich und ermöglicht damit das Abschalten von Überlastströmen, ohne dass eine unzulässige Erwärmung auftritt.

Der M-Effekt: Wirkung des Lots auf die Zeit/Strom-Kennlinie.

Nach dem Durchschmelzen der Engstelle bildet sich ein Lichtbogen, der in beiden Richtungen weiterbrennt, bis er in einem periodischen Stromnulldurchgang erlischt. Der schmelzende Quarzsand kühlt den Lichtbogen so intensiv, dass die erneute Zündung bei wiederkehrender Spannung wirksam verhindert wird. Im Einflussbereich des Lichtbogens entsteht ein nicht leitender Sinterkörper aus Schmelzleitermetall, Lot und Quarz, der wegen seiner Erscheinungsform auch “Schmelzraupe” genannt wird. Bei sehr großen Strömen schmelzen alle Engstellen praktisch gleichzeitig, wodurch sich mehrere Teillichtbögen entsprechend der Zahl der Engstellen in Serie bilden und eine für Kurzschlussabschaltungen typische, gleichmäßig über die gesamte Schmelzleiterlänge ausgedehnte

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme Schmelzraupe entsteht. Anhand der Form der Schmelzraupe können die Siemens-Sicherungsexperten recht genau die Stromstärke rekonstruieren, die zum Abschalten der Sicherung führte. Die Analyse abgeschalteter Sicherungen kann damit für die Ermittlung von Störungsursachen wertvolle Aufschlüsse geben. Entsprechend der gewünschten Sicherungsfunktion muss das sehr komplexe Zusammenwirken von Schmelzleiterwerkstoff, Engstellengeometrie, Reaktionslot und Quarzsand optimiert werden. Kennzeichnung von Sicherungen NH-Sicherungseinsätze enthalten eine Fülle aufgedruckter Information, die sich auch Fachleuten nicht sofort erschließt. Beispiel NH-Sicherungen von oben nach unten: • Hersteller und Typbezeichnung • Bemessungswechselspannung (~ 400 V zukünftige Schreibweise 400 V a.c.) • Baugröße (NH 00) und Betriebsklasse (gG) • Bemessungsstrom (100 A) • Symbol “Spannungsfreie Grifflasche” • VDE-Zeichen (bzw. weitere Prüfzeichen) • Zutreffende Norm (IEC 60269) • Bemessungsausschaltvermögen (120 kA) • Ursprungsland (Germany) • EU-Konformitätszeichen (CE) • NH-Recycling-Zeichen • Fertigungsdatum /-code Auf manchen DIAZED-Sicherungen findet sich noch das Symbol einer Schnecke für “träge” Charakteristik. Es ist nach Norm nur noch in VDE 0635 für TNDz-Sicherungen vorgesehen. Halbleiterschutzsicherungen tragen zusätzlich die Kombination der Schaltungszeichen von Sicherung und Diode. Kennmelder sind bei NHSicherungen vorgeschrieben. Die Lage kann jedoch sowohl vorn mittig als auch stirnseitig oben sein. Es gibt auch beide Ausführungen als sogenannter “Kombimelder”. Üblich ist auch ein Datumscode, der die Rückverfolgbarkeit zum Fertigungsdatum ermöglicht. Die Betriebsklasse gL wurde inzwischen durch gG abgelöst, taucht aber in der Bedruckung einiger Sicherungen immer noch auf. Nach und nach wird sie durch die international genormte Betriebsklasse gG ersetzt.

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NH-Sicherung mit Bedruckung.

Halbleiterschutzsicherungen tragen zusätzlich die Schaltzeichen für Sicherung und Diode.

Bedruckung DIAZED-Sicherung.

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme Sicherungshalter (beinhalten auch Sicherungsunterteile und Sicherungssockel) müssen mit dem Namen des Herstellers und einer Typnummer zur eindeutigen Identifikation gekennzeichnet sein. Wichtig für den Anwender sind die Angaben von Bemessungsstrom für die thermische Belastbarkeit und Bemessungsspannung für die Isolation. Sicherungshalter sind in der Regel für Gleich- und Wechselspannung geeignet. In der Kennzeichnung gibt es daher keine Unterscheidung.

Hinweis: Die aufnehmbare Leistung eines Sicherungsunterteils oder Sicherungshalters entspricht der größten Verlustleistung (Bemessungsleistungsabgabe) einer gG-Sicherung der jeweiligen Baugröße. Werden Sicherungseinsätze mit anderen Betriebsklassen, z. B. aR, gR, gS verwendet, sind unter Umständen Reduktionsfaktoren zu berücksichtigen. Das gilt auch für D-Sicherungen, die nur in der Betriebsklasse gG genormt sind, aber von Siemens für industrielle Anwendungen auch als gR-Sicherungen SILIZED angeboten werden.

Farbkennzeichnung Verwechslungen beim Sicherungsaustausch können zu Fehlfunktion, Überhitzung oder gar zu Schaltversagen führen. Zur besseren Unterscheidung sind deshalb in den einschlägigen Normen Farbkennzeichnungen zusätzlich zu den aufgedruckten Sicherungsdaten vorgeschrieben. Sie betreffen • Betriebsklassen und Bemessungsspannungen bei NH-Sicherungen und • Bemessungsströme bei Schraubsicherungen. gG aM 400 V 400 V *) 500 V 500 V 690 V 690 V 1.000 V 1.000 V *) alternativ schwarz

Farbkennzeichnung NH-Sicherungen.

gTr 400 V

gB 500 V 690 V 1.000 V

Bei NH-Sicherungseinsätzen werden die Bemessungsspannung 500 V als Positivdruck in der vorgesehenen Farbe und die Bemessungsspannungen 400 V und 690 V als Negativdruck in einem entsprechenden Farbbalken aufgebracht, gTr-Sicherungen werden braun und gBSicherungen rot bedruckt (Tabelle 4.2.1). 400 V gG-Sicherungen können alternativ blaue oder schwarze Farbbalken haben. Bei DIAZED- und NEOZED-Sicherungen sind die Kennmelder und Passeinsätze in den Farben des Nennstroms des Sicherungseinsatzes gekennzeichnet. IN (A)

2

4

6

Farbe rosa braun grün

10

13

16

20

25

35

50

63

80

100

rot

schwarz

grau

blau

gelb

schwarz

weiß

kupfern

silbern

rot

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme

Zeit / s

Kennlinien Zeit/Strom-Kennlinien: Zeit/Strom-Kennlinien sind charakteristische Merkmale von Sicherungen und bestimmen deren Anwendungsbereich. Die Zeit/Strom-Kennlinien sollen der Belastbarkeit der zu schützenden Einrichtungen möglichst gut angepasst sein, um einerseits eine optimale Auslastung zu ermöglichen, andererseits schädliche Überbeanspruchungen wirksam zu unterbinden. Im Unterschied zu elektromechanischen oder elektronischen ÜberstromSchutzeinrichtungen haben Sicherungen keinen festen Auslösestrom, ab dem die Schutzwirkung eintritt. Bei Sicherungen ist die Zeit bis zum Aufschmelzen der Engstellen des Schmelzleiters (Schmelzzeit) und damit dem Auslösen des Abschaltvorgangs abhängig von der Größe des Überstroms. Zu jedem Überstrom, der eine Sicherung auslöst, ergibt sich daher eine für die Sicherung charakteristische Schmelzzeit. Die Wertepaare von Strömen und dazugehörenden Schmelzzeiten werden in Zeit/Strom-Kennlinien dargestellt.

Strom / A

Zeit/Strom-Kennlinien.

Beachte: Gestrichelt dargestellte Kennlinienabschnitte kennzeichnen Bereiche, in denen die Sicherung zwar schmilzt, aber kein Ausschaltvermögen besitzt (Teilbereichssicherung). Überströme in diesem Bereich sind unzulässig und müssen durch geeignete Maßnahmen vermieden oder durch andere Schutzelemente abgeschaltet werden.

Zur besseren Vergleichbarkeit der Kurven sind die doppellogarithmischen Skalen der Diagramme international genormt. Üblich ist die Darstellung von mittleren Zeit/Strom-Kennlinien. Entsprechend der Norm für Niederspannungssicherungen IEC 60269 dürfen die Abweichungen von diesen Kennlinien in Stromrichtung ± 10 % betragen. Bei SiemensSicherungen liegen diese Abweichungen in einem wesentlich engeren Toleranzband von ± 5 %, wodurch sich für den Anwender zusätzliche Vorteile ergeben.

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme Zeit/Strom-Kennlinien stellen virtuelle Schmelzzeiten dar, d. h. Zeitwerte, die rein rechnerisch aus gemessenen Integralwerten (I2t-Werten) ermittelt werden: tvs = ∫ i2dt / Ieff2

Stromquadrat/ A2 Zeit/s

Die virtuelle Schmelzzeit tvs wird ermittelt, indem die Fläche unter der quadrierten Stromkurve über die Schmelzzeit integriert wird und dieses Integral dann in ein flächengleiches Rechteck mit der Höhe des Effektivwertquadrats des Kurzschlussstroms umgerechnet wird. Das Schmelzintegral ∫ i2dt wird aus Schaltversuchen oszillografisch ermittelt und zum Effektivwert des Kurzschlusswechselstroms Ieff ins Verhältnis gesetzt. Die virtuellen Schmelzzeiten können je nach zeitlichem Verlauf des Kurzschlussstroms erheblich von der reellen Schmelzzeit abweichen. Im Schmelzzeitbereich über 100 ms ist der Unterschied zwischen reellen und virtuellen Zeiten vernachlässigbar. Bei kürzeren Schmelzzeiten (Kurzschlussströmen) ist der Unterschied zu beachten.

reelle Schmelzzeit: 12 ms

virtuelle Schmelzzeit: 31,2 ms

0

Reelle und virtuelle Zeiten.

10

20

30

40

Zeit / ms

Erläuterung: Zur Definition der virtuellen Schmelzzeit nimmt man an, dass der Strom bei Eintritt eines Kurzschlusses unverzögert auf den Effektivwert des Kurzschlusswechselstroms springt (Rechtecksprung) und dann wie ein Gleichstrom unverändert fließt, bis die Engstellen schmelzen. Besonders bei hohen, Stoßkurzschlussströmen mit Gleichstromglied ergeben sich naturgemäß große Abweichungen zwischen reellen und virtuellen Schmelzzeiten. Bei längeren Schmelzzeiten verringern sich die Abweichungen und ab 100 ms sind sie vernachlässigbar. Es ist leicht einzusehen, dass im Kurzzeitbereich die virtuellen Zeiten aus Sicherungskennlinien nicht vergleichbar sind mit den tatsächlichen (reellen) Öffnungszeiten von mechanischen Schaltern oder den Betätigungszeiten von Auslösern. Dasselbe gilt auch für Sicherungen in verschiedenen Stromkreisen, z. B. in verschiedenen Phasen eines Drehstromnetzes, da diese von verschiedenen Strömen durchflossen werden.

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme

Beachte: Virtuelle Zeiten aus Sicherungskennlinien dürfen im Zeitbereich unter 100 ms nicht zur Koordination von Sicherungen mit Schaltgeräten verwendet werden. In diesem Bereich müssen I2t-Werte als Vergleichsbasis herangezogen werden.

I2t-Kennlinien: I2t-Werte (Joule-Integrale) sind durch die Sicherungskonstruktion bestimmt und beschreiben somit echte physikalische Sicherungseigenschaften. Die (reellen) Schmelzzeiten werden dagegen entscheidend vom zeitlichen Stromverlauf bestimmt, der durch den Einschaltwinkel und die Netzimpedanz maßgeblich beeinflusst wird. Daraus errechnete virtuelle Zeiten aus Zeit/Strom-Kennlinien dürfen folglich nicht mit echten Zeiten, z. B. Öffnungszeiten von Schaltkontakten verglichen, werden. Zur Koordination von Sicherungen mit anderen Schutzeinrichtungen enthalten die Siemens-Produktunterlagen auch I2tKennlinien. Diese Integralwerte stehen für die Wärmewirkung des Stroms, die die Sicherung auslöst und werden deshalb auch “Joule-Integral”-Werte genannt. Bei Schmelzzeiten ≤ 1 ms haben die Joule-Integrale konstante Werte, die sich allein aus dem Engstellenquerschnitt und dem Schmelzleitermaterial ergeben.

I2t-Kennlinien.

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Durchlassstrom iD / A

Durchlasskennlinie: Große Kurzschlussströme werden durch Sicherungen auf wesentlich kleinere Werte, die Durchlassströme, begrenzt, da die Sicherung den Strom bereits vor Erreichen des ersten Scheitelwerts unterbricht. Die größten Augenblickswerte, die ein durch Sicherungen begrenzter Kurzschlussstrom erreichen kann, werden als Durchlassstromkennlinien dargestellt und von Sicherungsherstellern bereitgehalten. Durchlasskennlinien werden für die Koordination von Sicherungen mit stromempfindlichen oder dynamisch beanspruchten Komponenten benötigt wie zum Beispiel: • Halbleiterbauteile • Relais • Schütze • Leistungsschalter 1E+06 • Sammelschienen

250 A 63 A

1E+03

1E+02 1,0E+02

Durchlassstrom-Kennlinien.

1,0E+03

1,0E+04

1,0E+05

unbeeinflusster Kurzschlussstrom Ieff / A

Aus den Durchlassstromkennlinien kann abgelesen werden, auf welche Werte die Sicherung den zu erwartenden Kurzschlussstrom begrenzt. Beim Arbeiten mit Durchlassstromkennlinien ist zu beachten, dass in den Diagrammen • auf der Abszisse der unbeeinflusste (prospektive) Kurzschlussstrom aus Kurzschlussberechnungen als Effektivwert des 50 Hz Wechselstroms abgelesen wird (Dieser unbeeinflusste Strom würde ohne Schutz durch die Sicherungen an der Fehlerstelle fließen), und • auf der Ordinate der Durchlassstrom als Augenblickswert abgelesen wird.

Beispiel: Obige Grafik zeigt, dass bei einem unbeeinflussten Kurzschlusswechselstrom von 25 kA (Effektivwert) ein maximaler Stoßkurzschlussstrom Ip von 70 kA (obere Begrenzungslinie) auftreten kann. Eine 250 A gGSicherung würde den Strom auf ihren Durchlasswert von ID = 17 kA begrenzen und eine 63 A-Sicherung sogar nur 5 kA durchlassen.

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme Erläuterung: Die Größe des Stoßkurzschlussstroms ip variiert um den Faktor 2 (Stoßfaktor) abhängig vom Zeitpunkt des Kurzschlusseintritts (Einschaltwinkel) und vom Leistungsfaktor (cos ϕ) des Kurzschlusskreises. Die obere Begrenzungslinie im Diagramm entspricht dem größtmöglichen Scheitelwert im Außenleiter mit dem ungünstigsten Schaltaugenblick (Spannungsnulldurchgang) und rein induktivem Stromkreis (cos ϕ = 0) bei symmetrischem dreipoligem Kurzschluss. Die darunter liegende, gestrichelte Linie entspricht dem günstigsten Fall bei Kurzschlussbeginn im Stromnulldurchgang und cos ϕ = 1. Ohne strombegrenzende Schutzeinrichtung muss von einem Stoßkurzschlussstrom entsprechend der oberen, durchgezogenen Linie ausgegangen werden.

Kurzschlussstromverlauf im Drehstromnetz.

Leistungsabgabe (Verlustleistung) Elektrische Schmelzsicherungen funktionieren auf dem Prinzip der Eigenerwärmung durch Ströme. Genau definierte Stellen des Schmelzleiters werden durch Überströme bis zu ihrer Schmelztemperatur erwärmt und der Stromkreis dadurch unterbrochen. Dieses Funktionsprinzip bringt es mit sich, dass auch bei normalen Betriebsströmen Stromwärme erzeugt und an die Umgebung abgeführt wird. Dieser Eigenverbrauch der Schmelzsicherung wird umgangssprachlich und in älteren Normen als “Verlustleistung” bezeichnet. Die in den neueren Normen verwendete wertfreie Bezeichnung “Leistungsabgabe” hat sich im deutschen Sprachgebrauch noch nicht allgemein durchgesetzt. Anmerkung: In der Tat haftet Schmelzsicherungen das Vorurteil an, besonders viel Verlustleistung zu erzeugen. Vermutlich liegt das an der starken Erwärmung während des Ausschaltvorgangs und daran, dass sich nicht nur Laien beim unvorsichtigen Sicherungswechsel schon einmal die Finger verbrannt haben. Diese hohen Temperaturen entstehen jedoch durch die Wärmeleistung des Schaltlichtbogens und sind kein Maß für die Leistungsabgabe und Erwärmung im normalen Betrieb.

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme Je nach Standpunkt des Betrachters kann man die Leistungsabgabe von Sicherungen unterschiedlich sehen und bewerten: • Der Netzbetreiber betrachtet die “Verlustleistung” von der wirtschaftlichen Seite und sieht darin einen Kostenfaktor durch ungezählten Verbrauch. • Der Schaltanlagen- und Verteilerkonstrukteur muss Sicherungen als Wärmequellen bei der Auslegung der Umhüllung berücksichtigen. • Der Sicherungsentwickler sieht darin eine physikalisch notwendige “Funktionsleistung”, die er unter Beachtung anderer Eigenschaften auf ein Minimum beschränken muss. Der Eigenverbrauch von Schmelzsicherungen trägt zu den Netzverlusten im Niederspannungsverteilungsnetz bei und ist damit ein Kostenfaktor (Verlust) für den Netzbetreiber. Die Netzverluste betragen im städtischen Niederspannungsverteilungsnetz etwa 4 % der übertragenen Leistung bzw. 3 % der Energie und sind damit nicht zu vernachlässigen. Genaue Untersuchungen zum Anteil der Sicherungen an den Netzverlusten liegen nicht vor. In erster Näherung kann man jedoch annehmen, dass der Eigenverbrauch einer Sicherung dem Verbrauch von einem halben bis zu einem Meter des angeschlossenen Leiters entspricht. Damit dürften Sicherungen etwa 5 % bis 10 % der Netzverluste in städtischen Niederspannungsnetzen beitragen und deutlich weniger in ländlichen Netzen. Insgesamt also weniger als 0,5 % der übertragenen Leistung. Da genauere Berechnungen sehr aufwändig sind, wird für komplett mit Sicherungen geschützte Netze häufig ein mittlerer Wert von 3 W als Betriebsleistungsabgabe je Sicherung angenommen. Dieser Wert liegt in der Größenordnung des Stand-by-Verbrauchs gängiger elektronischer Geräte. Verglichen wird hierbei jedoch der verzichtbare Komfort von Stand-by-Verlusten mit der unverzichtbaren Funktionsleistung wichtiger Schutzelemente.

Hinweis: Während die Bemessungsleistungsabgabe zu den Kenngrößen von Sicherungseinsätzen gehört, wird die von den Geräten im Betrieb abgegebene Leistung in der Niederspannungs-Schaltgerätenorm VDE 0660 Teil 100 nicht erwähnt. Daraus könnte man schließen, dass die Leistungsabgabe bei elektromechanischen Schaltgeräten vernachlässigbar sei. Grundsätzlich muss man jedoch davon ausgehen, dass alle Überstromschutzeinrichtungen mit thermischen Auslösern (Leistungsschalter, Leitungsschutzschalter) eine den Sicherungen vergleichbare, wenn nicht gar deutlich höhere Leistungsabgabe haben.

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme Wärmequelle in Schaltanlagen und Verteilern Für jede Sicherungs-Baugröße sind die größten Bemessungsströme von Sicherungshaltern und Höchstwerte der aufnehmbaren Leistung (Bemessungs-Leistungsaufnahme) definiert. Der Bemessungswert der aufnehmbaren Leistung eines Sicherungshalters (Sicherungsunterteils, Sicherungssockels) entspricht der Leistungsabgabe eines Sicherungseinsatzes, der unter normalen Betriebsbedingungen vom Unterteil aufgenommen werden kann. Die Normwerte der aufnehmbaren Leistung von NH-Unterteilen entsprechen den Leistungsabgaben von aMSicherungen und gB-Sicherungen der jeweils größten Bemessungsstromstufe bei 690 V Bemessungsspannung. Die Werte beziehen sich außerdem auf Raumtemperatur und auf die entsprechend aufgelisteten Querschnitte der angeschlossenen Leiter. Baugröße Bemessungsstrom (A) Bemessungsleistungsaufnahme Leitungsquerschnitt mm2 Cu 000

100

00

160

12

35

0

160

25

70

1

250

32

120

2

400

45

240

3

630

60

2 x 185

4

1.000

90

2 x (60 x 5)

4a

1.250

110

2 x (80 x 5)

70

Aufnehmbare Leistung von NH-Sicherungsunterteilen.

Wesentliche Abweichungen von diesen Bedingungen können die aufnehmbare Leistung von Sicherungsunterteilen in beiden Richtungen beeinflussen. Wichtige Einflussgrößen sind hierbei: • Material und Querschnitt der angeschlossenen Leiter • Betriebstemperaturen, die von der Raumtemperatur stark abweichen • eingeschränkte oder forcierte Luftzirkulation (durch Abdeckungen bzw. Lüfter)

TIPP: Anlagenkonstrukteure und Betreiber können jedoch durch Beachten einiger Regeln ebenfalls erheblich zur Verminderung der Leistungsabgabe im Betrieb beitragen: Qualitäts-Sicherungseinsätze verwenden, Bemessungsspannung nicht größer als erforderlich, Bemessungsstrom so groß wie möglich

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Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme •

•

18

•

Qualitäts-Sicherungseinsätze verwenden: Die konsequente Wahl von verlustarmen Sicherungseinsätzen wird durch geringere Erwärmung und niedrigere Betriebskosten belohnt. Bemessungsspannung nicht größer als erforderlich: Die Leistungsabgabe steigt technisch bedingt mit der Bemessungsspannung. Die Bemessungsspannung der Sicherungseinsätze soll daher der Betriebspannung möglichst genau entsprechen und nicht wesentlich größer sein. Der Einsatz einer 690V-Sicherung im 400-V-Netz ist zwar technisch zulässig, verdoppelt jedoch die Leistungsabgabe. Wenigstens die Hälfte davon kann man in einem solchen Fall zu Recht als “Verlustleistung” bezeichnen. Bemessungsstrom so groß wie möglich: Größere Bemessungsströme der Sicherungseinsätze mindern die Leistungsabgabe im Betrieb. Eine größere Bemessungsleistungsabgabe ist nicht unbedingt gleichbedeutend mit höherer Erwärmung im Betrieb. Genau das Gegenteil trifft zu, wenn es sich um Sicherungen mit unterschiedlichen Bemessungsströmen handelt. Bei gleichem Betriebsstrom einer Anlage erzeugt die Sicherung mit dem kleineren Bemessungsstrom und folglich der kleineren Bemessungs-Leistungsabgabe die größeren Verluste. Dieser scheinbare Widerspruch wird am Beispiel von NH-Sicherungen der Betriebsklasse gG veranschaulicht: Bei einem Betriebsstrom von 125 A erzeugt eine 100-A-Sicherung mehr als 10 W, während die 125-A-Sicherung weniger als 8 W und die 160-A-Sicherung sogar nur gut 6 W erzeugt. 14 12

125 A

6

8

10

100 A

Leistungsabgabe von gG-Sicherungen unterschiedlicher Nennströme.

0

2

4

Leistungsabgabe (W)

16

160 A

0

50

100

150

200

Betriebsstrom (A)

Wenn immer möglich, sind daher bei Erwärmungsproblemen Sicherungen mit größerem Bemessungsstrom vorzuziehen. Typische Anwendungsfälle für diese Regel sind alle Stromkreise, für die nur Kurzschlussschutz gefordert ist wie zum Beispiel: • Sicherungen in engen Gehäusen • Absicherung von Kondensatoren in Netzen mit Oberschwingungsströmen • Motorschutzsicherungen • Anhäufung von Sicherungen in Gehäusen.

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme

Beachte: Diese Regel darf natürlich nicht angewandt werden, wenn die Sicherungen nicht nur für den Kurzschlussschutz, sondern auch für den Überlastschutz einem Betriebsmittel z. B. Kabel direkt zugeordnet sind.

Sicherungsanwendungen Allgemeine Auswahlkriterien Die Auswahl der richtigen Sicherung richtet sich nach • den Daten der Stromversorgung, die im Fehlerfalle unterbrochen werden soll und nach • der Schutzaufgabe bzw. den zu schützenden Betriebsmitteln. Bei der Stromversorgung sind folgende Kriterien zu beachten: • Die größte zulässige Betriebsspannung der Sicherung muss größer sein als die größte zulässige Betriebsspannung des Netzes inklusive Toleranz. • Die Sicherung muss für die Stromart und Frequenz des Netzes geeignet sein. Die Eignung für Gleichstrom und Wechselstrom werden getrennt angegeben. Ohne nähere Angaben sind Frequenzen von 45 Hz bis 62 Hz zulässig. • Das Ausschaltvermögen der Sicherung muss größer sein als der unbeeinflusste Kurzschlussstrom an der Einbaustelle.

Bemessungsspannung der Sicherung

Größte zulässige Netzspannung

230 V

253 V

400 V

440 V

500 V

550 V

690 V

725 V

Zulässige Betriebsspannungen.

Für den Schutz häufig verwendeter Betriebsmittel wurden angepasste Sicherungen mit entsprechenden Charakteristiken entwickelt. International wurden Charakteristiken für Leitungen, Motorstromkreise und Halbleiterbauelemente genormt. In Deutschland gibt es zusätzlich Normen für Transformatorenschutz- und den Bergbauanlagenschutz. Die Sicherungseinsätze sind mit Kurzzeichen für die jeweiligen Anwendungen bzw. Charakteristiken gekennzeichnet.

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Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme Der erste, kleine Buchstabe bezeichnet den Ausschaltbereich der Sicherung: • “g” steht für Ganzbereichssicherung und bedeutet, dass die Sicherung alle Überströme vom kleinsten Schmelzstrom bis zu ihrem Bemessungsausschaltvermögen unterbrechen kann. Ganzbereichssicherungen können als alleinige Schutzelemente eingesetzt werden. • “a” steht für Teilbereichssicherung und bedeutet, dass diese Sicherung nur große Ströme ab einem Vielfachen ihres Nennstroms ausschalten kann. Teilbereichssicherungen sind nur für den Kurzschlussschutz geeignet und werden daher mit anderen Einrichtungen für den Überlastschutz kombiniert. Häufig werden sie auch als Backup-Schutz für andere Schaltgeräte mit geringerem Ausschaltvermögen eingesetzt, z. B. Schütze oder Leistungsschalter. Betriebsklasse

Anwendungsgebiet (Charakteristik) IEC / VDE Betriebsklassen

gG

Ganzbereichssicherung für allgemeine Anwendungen, hauptsächlich Kabel- und Leitungsschutz

aM

Teilbereichs-Schaltgeräteschutz für Motorstromkreise

gR

Ganzbereichssicherungen für den Schutz von Halbleiterbauelementen (flinker als gS)

gS

Ganzbereichssicherungen für den Schutz von Halbleiterbauelementen, für erhöhte Leitungsauslastung

aR

Teilbereichssicherung für den Schutz von Halbleiterbauelementen VDE Betriebsklassen

gB

Ganzbereichssicherung für den Bergbauanlagenschutz

gTr

Ganzbereichssicherung für den Transformatorenschutz, Bemessung in Transformator-Scheinleistung (kVA) statt Nennstrom (A)

träg

Ganzbereichssicherung für den Kabel- und Leitungsschutz

flink

Ganzbereichssicherung für den Kabel- und Leitungsschutz weitere Betriebsklassen

gM gN

Ganzbereichssicherung für den Schutz von Motorstromkreisen mit zwei Bemessungsströmen (in Großbritannien verbreitet) Nordamerikanische Sicherung für allgemeine Anwendungen, hauptsächlich Kabel- und Leitungsschutz

gD

Nordamerikanische Sicherung mit träger Charakteristik für allgemeine Anwendungen und für den Motorenschutz

gI

Frühere IEC-Betriebsklasse (träge), ersetzt durch gG

gII

Frühere IEC-Betriebsklasse (flink), ersetzt durch gG

gL

Frühere VDE-Betriebsklasse, ersetzt durch gG

gT

Frühere VDE-Betriebsklasse (träge), ersetzt durch gG

gF

Frühere VDE-Betriebsklasse (flink), ersetzt durch gG

gTF

Frühere VDE-Betriebsklasse (träg-flink), ersetzt durch gB

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme Der zweite, große Buchstabe bezeichnet die Charakteristik und damit das Anwendungsgebiet. Da Sicherungen sehr langlebige Produkte sind, findet der Anwender immer noch Produkte mit Aufschriften, die in den geltenden Normen nicht mehr erläutert sind. Deshalb sind in der Tabelle auch einige früher verwendete Bezeichnungen mit aufgeführt.

Kabel- und Leitungsschutz Der Schutz von Kabeln und Leitungen gegen zu hohe Erwärmung ist in VDE 0100-430 geregelt. Hierbei handelt es sich um die am weitesten verbreitete Sicherungsanwendung, für welche die Betriebsklasse gG genormt wurde. Diese Sicherungen sind in ihren Zeit/Strom-Kennlinien an die Belastbarkeit isolierter Leiter angepasst. Die Zuordnung des Sicherungsbemessungsstroms zur Belastbarkeit des Kabels erfolgt einfach nach der Formel Ib ≤ In ≤ Iz Ib = Betriebsstrom des Stromkreises Iz = Dauerbelastbarkeit des Leiters (s. VDE 0100-430) In = Sicherungsbemessungsstrom. Da Leitungen bis zu 45 % überlastbar sind, soll die Überstromschutzeinrichtung bei 1,45 In auslösen. Diese Bedingung ist bei D-Sicherungen mit Bemessungsströmen > 10 A und bei NH-Sicherungen mit Bemessungsströmen > 16 A erfüllt.

Hinweis: Anmerkung: Der “Große Prüfstrom” beträgt bei gG Sicherungen traditionell 1,6 In und wird nicht ganz zu Recht mit dem Auslösestrom anderer Schutzeinrichtungen, z. B. LS-Schalter verglichen. Dieser Vergleich ist jedoch physikalisch nicht korrekt, da er auf verschiedenen Prüfbedingungen beruht. Praxisnahe Versuchsanordnungen, wie sie inzwischen auch in die Sicherungsnormen aufgenommen wurden, zeigen, dass das Auslöseverhalten von gG-Sicherungen bei Überlast dem von LS-Schaltern und somit der Überlastbarkeit der zu schützenden Leitungen entspricht.

Transformatorschutz mit NH-Sicherungen Verteilungsnetztransformatoren bis zu 1.000 kVA werden niederspannungsseitig mit Sicherungen gegen Überlast und Sammelschienenkurzschlüsse geschützt. Verwendet werden hierzu NH-Sicherungs-

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Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme Lasttrennschalter oder -Lastschaltleisten, bestückt mit Sicherungen der Betriebsklassen gG oder gTr. Die NH-Sicherungen bzw. die Sicherungsschaltgeräte eignen sich auch zum Freischalten des Transformators und der Niederspannungsverteilung. Den Schutz gegen innere Transformatorfehler einschließlich eines Kurzschlusses an den Niederspannungsklemmen übernehmen HH-Sicherungen auf der Oberspannungsseite. Die Zuleitungen von den Transformatorklemmen zum niederspannungsseitigen Einspeiseschalter sind theoretisch nicht geschützt und werden daher besonders sorgfältig isoliert und verlegt. Da die Transformatoren in kVA entsprechend ihrer Scheinleistung bemessen sind, stimmen die Bemessungsströme der NH-Sicherungen nicht mit den Transformatorbemessungsströmen überein. Deshalb wurden in Deutschland speziell für den Schutz von Verteilnetztransformatoren NHSicherungseinsätze der Betriebsklasse gTr entwickelt und genormt. Diese sind der Transformatorbelastbarkeit angepasst und in kVA entsprechend der Scheinleistung der Transformatoren bemessen. Sie ermöglichen eine optimale Auslastung von Verteilungsnetztransformatoren mit 400 V Sekundärspannung. gTr-Sicherungen können ihren 1,3-fachen Bemessungsstrom über 10 Stunden führen und schalten den 1,5-fachen Bemessungsstrom innerhalb von zwei Stunden ab. Außerdem gilt: Eine gTr-Sicherung mit X=250 kVA oder größer verhält sich selektiv zur nachgeschalteten gG-Sicherung mit Y=250 A. Die Selektivität zur Oberspannungsseite ist in VDE 0670-402 geregelt. Die technischen Anforderungen an gTr-Sicherungen sind in VDE 0636 Teil 2011 festgelegt. gTr-Sicherungen haben eine Bemessungsspannung von 400 V und ein Bemessungs-Ausschaltvermögen von 25 kA. Hierdurch kann die Verlustleistung so niedrig gehalten werden, dass 1.000 kVA gTr-Sicherungen mit einem Bemessungsstrom von 1.443 A in NH-Unterteile der Größe 4a eingesetzt werden können, obwohl diese nur für 1.250 A bemessen sind.

Hinweis: Auf ausreichende Anschlussmöglichkeiten für die notwendigen Leiterquerschnitte ist dabei zu achten. Der Einsatz von gTr-Sicherungen ist vorteilhaft bei starker Transformatorauslastung mit möglicher Gefährdung durch Überlast. In vielen Netzen liegt die thermische Auslastung der Verteiltransformatoren im Betrieb deutlich unterhalb der Bemessungsleistung, weshalb sich ein an die Transformatordaten eng angepasster Überlastschutz erübrigt. Als niederspannungsseitiger Kurzschlussschutz werden deshalb auch häufig die weltweit leichter verfügbaren gG-Sicherungen eingesetzt.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme Schutz von Motorstromkreisen Wesentliche Elemente eines Motorstromkreises sind neben dem Motor selbst und den Zuleitungen der Motorstarter und die Kurzschlussschutzeinrichtung. Die Leitungen sind bei richtiger Dimensionierung automatisch mit geschützt. Im Vergleich zu anderen Schutzelementen haben Sicherungen wesentlich niedrigere Durchlassströme und Durchlass-I2t-Werte. Es gibt daher kaum eine günstigere Methode, als mit Sicherungen einen Kurzschlussschutz der Zuordnungsart “2” nach VDE 0660-102 zu erreichen. Zuordnungart “2” bedeutet, dass • der Kurzschlussstrom sicher unterbrochen wird, • weder Menschen noch Anlagen gefährdet sind und • der Starter nach Überprüfung wieder in Betrieb genommen werden kann. Leicht zu öffnende Verschweißungen der Kontakte sind zulässig. Dagegen bedeutet die niedrigere Zuordnungsart “1”, dass der Starter oder Teile davon nach einem Kurzschluss ausgewechselt werden müssen. Für Prozesse bei denen hohe Anlagenverfügbarkeit gefordert ist, bieten Sicherungen die kostengünstigere Alternative zu überdimensionierten Motorstartern. Die richtige Koordination von Sicherungen mit Motorstartern erfüllt die folgenden Bedingungen: • Motor und Motorstarter sollen gegen Kurzschlussauswirkungen geschützt werden. • Dazu müssen der maximale Durchlassstrom und die maximale Durchlassenergie (I2t) der Sicherung kleiner sein als die entsprechenden Festigkeitswerte des Schützes. • Außerdem muss der Übergabestrom IC, bei dem die Sicherung die Ausschaltaufgabe vom Überlastrelais übernimmt, unterhalb des Ausschaltvermögens des Motorschützes liegen. • Betriebsstörungen durch unbegründete Abschaltungen der Sicherungen sollen vermieden werden. • Dazu muss die Schmelzzeit/Strom-Kennlinie der Sicherung einen ausreichenden Abstand vom Anlassstromimpuls des Motors haben. Beim direkten Einschalten kann etwa das 6-Fache des Motornennstroms 10 s lang fließen. Je nach Betriebsbedingungen des Motors und Gebrauchskategorie der Sicherung stimmen die Bemessungsströme von Sicherung und Motor nicht unbedingt überein, sondern können um ein Vielfaches größer sein. Sowohl gG-Sicherungen als auch aM-Sicherungen werden für den Kurzschlussschutz von Motorstromkreisen verwendet. Für gG-Sicherungen sprechen deren gute Verfügbarkeit und niedrige Kosten. Sie müssen in der Regel jedoch um eine bis zwei Bemessungsstromstufen

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Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme

Auswahl von Motorschutzsicherungen.

höher ausgewählt werden, um unerwünschtes Auslösen durch den Motoranlaufstrom zu vermeiden. Für aM-Sicherungen spricht das trägere Auslöseverhalten im Überlastbereich, das einen optimalen Schutz bei maximaler Anlagenverfügbarkeit ergibt. Die Auswahl dieser Sicherungen entsprechend dem Motornennstrom ist somit eine Bemessungsstufe niedriger möglich. In einigen Ländern werden Sicherungen der Typen gD und gM auch als Ganzbereichsschutz für Motorstromkreise eingesetzt.

Halbleiterschutz Für die richtige Zuordnung von Halbleiterschutzsicherungen gibt es keine einfache Regel. Dieses Kapitel gibt deshalb nur einen allgemeinen Überblick und verweist auf das SITOR-Projektierungshandbuch von Siemens für detailliertere Information. Je nach Einbaustelle liegen unterschiedliche Anforderungen vor und kommen Sicherungen unterschiedlicher Betriebsklassen zum Einsatz: Als Zweig- oder Zellensicherung im Halbleiterzweig werden aR-Sicherungen den Halbleiterbauelementen direkt als Schutz zugeordnet. • Als Strangsicherung im Phasenstrang des Umformers werden aR- oder gR-Sicherungen eingesetzt. • Auf der Last(Gleichstrom)seite werden gR-, gS- oder gG-Sicherungen als Überlastschutz eingesetzt. Selektivität zu den vorgeschalteten Sicherungen im Gleichrichter kann im Kurzschlussfall nicht erzielt werden. • In der Unterverteilung kommen Ganzbereichssicherungen der Betriebsklassen gR oder gS zum Einsatz, die auch die Zuleitungen schützen. gR-Sicherungen sind auf niedrige I2t-Werte optimiert, gS-Sicherungen auf niedrige Verlustleistung im Hinblick auf den

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme Einsatz in genormten Sicherungsunterteilen und Sicherungslasttrennschaltern. Beide Betriebsklassen können für den Kabel-Überlastschutz verwendet werden, jedoch erfüllen nur die gS-Sicherungen die Anforderungen an den Kabel-Überlastschutz in vollem Umfang.

Kennlinien gG, gS und aR mit Überlastkurve.

Die Auswahl von Sicherungen für den Halbleiterschutz erfolgt anhand der Grenzwerte der Halbleiterbauelemente und der am Einsatzort zu erwartenden Last- und Fehlerströme. Unter anderen sind die folgenden Punkte dabei zu berücksichtigen: • Dauernde Betriebsströme einschließlich zulässiger Überlasten sollen ohne Wärmeschäden geführt werden können. Der Laststrom in Stromkreisen mit Halbleitern ist oft nicht sinusförmig. Deshalb muss zur Bestimmung der thermischen Belastung der Sicherungen der Effektivwert anhand der Kurvenform bestimmt werden. • Die Verlustleistung der Sicherung bei Betriebsstrom soll kleiner sein als die zulässige Leistungsaufnahme des Sicherungshalters. Sie wird anhand des Effektivwerts und der Herstellerunterlagen ermittelt. • Für stark impulsförmige und zyklische Lastströme enthalten die SITORProduktunterlagen Tabellen mit Wechsellastfaktoren. Alternativ ist auch die Darstellung von Überlastkurven möglich. Diese geben die Höhe der Laststromimpulse an, die in dem markierten Zeitbereich nicht zu einer Veränderung der Sicherungskennlinie führen. • Bei Fehlern in der Anlage soll der Fehlerstrom unterbrochen werden, bevor durchströmte Halbleiter zerstört werden. Hierzu müssen der Durchlassstrom und das Ausschaltintegral I2t der Sicherung kleiner sein als die Grenzwerte des zu schützenden Halbleiters. Das Ausschaltintegral setzt sich zusammen aus den I2t-Werten über die Schmelzzeit und über die Lichtbogenzeit und ist von der wiederkehrenden Spannung abhängig.

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme •

Die Schaltspannung, die bei einer Stromunterbrechung durch die Sicherung auftritt, darf die Spannungsfestigkeit der Halbleitersperrschicht nicht überschreiten. Für wiederkehrende Spannungen unterhalb der Bemessungsspannung der Sicherung kann die Schaltspannung nach unten korrigiert werden.

Korrektur der Schaltspannungs- und Ausschaltintegrale.

Schutz von Gleichstromkreisen Strombegrenzende Sicherungen sind grundsätzlich sowohl für Wechselstrom- als auch für Gleichstromanwendungen geeignet. Allerdings sind ihre Leistungsdaten für Gleichstrom- und Wechselstromanwendungen unterschiedlich und die Wechselstromdaten lassen sich nicht einfach in Gleichstromdaten umrechnen. Sie können nur durch Prüfungen ermittelt werden.

Hinweis: Grundsätzlich gilt: Die im Stromkreis gespeicherte magnetische Energie bestimmt die Grenzen der Sicherungsanwendung bei Gleichstrom.

“Kurzschlussabschaltungen” verlaufen bei Gleichstrom ähnlich dem strombegrenzenden Abschalten von hohen Wechselströmen. In der Sicherung baut sich eine hohe Lichtbogenspannung auf, die beim Überschreiten der wiederkehrenden Spannung den Strom zu Null zwingt. Der Stromanstieg wird jedoch anstatt von Einschaltzeitpunkt und Leistungsfaktor von der Zeitkonstanten bestimmt. “Überlastabschaltungen” verlaufen völlig anders als bei Wechselstrom (Bild 5.6.3). Bei Gleichstrom gibt es keinen periodischen Nulldurchgang und damit auch keinen Moment ohne magnetische Energie im Stromkreis mit günstigen Löschbedingungen für den Lichtbogen. Der Lichtbogen erlischt erst, wenn die Lichtbogenspannung die Netzspannung überschreitet und einen Stromnulldurchgang erzwingt. Die im Stromkreis

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme gespeicherte magnetische Energie muss bei Gleichstromabschaltungen im Lichtbogen absorbiert werden. Die thermische Beanspruchung der Sicherung ist daher bei diesem Schaltvorgang unvergleichlich höher als bei Wechselstrom. Deshalb ist das Ausschaltvermögen von Sicherungen bei Gleichstrom generell niedriger als bei Wechselstrom. Auch die starke Abhängigkeit der Gleichstromdaten von der Zeitkonstanten des Stromkreises beruht auf diesem Zusammenhang. •

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Die “Bemessungs-Gleichspannung” von Sicherungseinsätzen ist in der Regel niedriger als die Bemessungs-Wechselspannung. In den Siemens-Produktunterlagen werden beide Bemessungswerte getrennt angegeben. Bei Sicherungsunterteilen gilt die Bemessungswechselspannung auch für Gleichspannung in gleicher Höhe. Der “Bemessungsgleichstrom” ist eine Bemessungsgröße, die sich nur auf die thermischen Eigenschaften der Sicherung bezieht. Er ist identisch mit dem Bemessungswechselstrom und wird daher nicht getrennt angegeben. Die “Zeit/Strom-Kennlinien” aus den Siemens-Produktunterlagen geben in Übereinstimmung mit den Sicherungsnormen virtuelle Schmelzzeiten an. Das heißt, sie basieren auf der Annahme, dass der Strom bei Eintreten eines Kurzschlusses unverzögert auf den Effektivwert springt und bis zum Schmelzen der Sicherung dort verharrt. Tatsächlich steigt der Kurzschlussstrom im Gleichstromkreis aber entsprechend der Zeitkonstanten verzögert an. Im Kurzzeitbereich (tvs < 20 Zeitkonstanten) ergeben sich dadurch deutliche Abweichungen. Unter stationären Bedingungen (Überströme mit Schmelzzeiten tvs > 20 Zeitkonstanten) sind die Norm-Kennlinien identisch mit den Gleichstromkennlinien.

DC-Überlastabschaltung.

DC-Kurzschlussabschaltung.

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Hinweis: Die echten Schmelzzeiten bei Gleichstrom lassen sich aus den virtuellen Zeit/Strom-Kennlinien mit Hilfe eines iterativen Rechenverfahrens ermitteln, das in IEC 61818 bzw. E VDE 0636-129 beschrieben ist.

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Das “Bemessungsausschaltvermögen” bei Gleichstrom ist keine feste Sicherungseigenschaft. Es muss immer im Zusammenhang mit der Zeitkonstanten des Stromkreises gesehen werden. Große Zeitkonstanten vermindern das Ausschaltvermögen und kleine Zeitkonstanten erhöhen das Ausschaltvermögen. Bei NH-Sicherungen beträgt das Ausschaltvermögen nach VDE 0636 mindestens 25 kA bei einer Zeitkonstanten von 15 ms. D-Sicherungen haben mindestens 8 kA Ausschaltvermögen bei 15 ms. Damit werden die meisten Steuerkreise und Lastkreise in industriellen Anwendungen abgedeckt. In Batteriestromkreisen mit kleinen Zeitkonstanten ist das Ausschaltvermögen wesentlich größer, bei Feldspulen erheblich kleiner. Der “Durchlassstrom” ist ebenfalls abhängig von der Zeitkonstanten des Stromkreises und kann deshalb nicht den WechselstromKennlinien entnommen werden. Zu seiner Bestimmung müssen spezielle Unterlagen des Herstellers angefragt werden.

Batterieschutz in USV-Anlagen Größere Batterieschränke oder Batteriegestelle werden über einpolige NH-Sicherungslasttrennschalter an den Gleichstromzwischenkreis angebunden. Diese dienen • als definierte Schnittstelle zwischen Batterie und USV-Anlage, • zum Freischalten der Batterie bei Wartungsarbeiten und • als Schutz der Batterie gegen Zerstörung der Elektroden und der Anschlusskabel vor Überhitzung. Der Batterieschutz in USV-Anlagen ist als Sonderfall der Gleichstromanwendungen zu betrachten. Der zu erwartende Kurzschlussstrom hängt von der Batteriekapazität, dem Batterietyp und dem Alterungszustand der Batterie ab. Bei kurzen Einsatzzeiten der USVAnlage ist die Batteriekapazitat und damit der Kurzschlussstrom entsprechend klein im Verhältnis zum Betriebsstrom. Ein wirksamer Schutz erfordert deshalb sehr steile Sicherungskennlinien und lässt sich meistens nur mit Halbleiterschutzsicherungen realisieren. Da der Schutz umso wirksamer ist, je näher der Betriebspunkt an die Schmelzkennlinie heranreicht, ist die genaue Kenntnis der Kennlinientoleranzen wichtig.

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Auswahl einer Batteriesicherung für USV-Anlagen.

Hinweis: Die Auswahl von SITOR-Sicherungen für USV-Anlagen sollte immer dem Siemens Customer Service Center überlassen werden.

Die Einsatzzeit der USV-Anlage ist ebenfalls ein wichtiges Auswahlkriterium. Bei gleichem Bemessungsstrom erfordert der optimale Schutz für kurze Einsatzzeiten der Anlage kleinere Sicherungen und für lange Einsatzzeiten größere Sicherungen. Die folgenden Punkte sind dabei zu berücksichtigen (angegebene Zahlenwerte sind Anhaltswerte, falls keine genaueren Daten vorliegen): • Der Betriebspunkt (te/IB) muss in ausreichendem Abstand unterhalb der unteren Zeit/Strom-Kennlinie liegen, damit die Sicherung auf keinen Fall während des normalen Einsatzes anspricht. • Der maximale Betriebsstrom der Batterie errechnet sich aus der Wirkleistung PW der USV-Anlage und der Entladespannung UE: IB = PW / UE. ; gegen Ende der Einsatzzeit sinkt die Batteriespannung auf die Entladespannung ab, die je nach Auslegung ca. 85 % der Batterienennspannung beträgt. • Der Kurzschlusspunkt (IK/t) muss oberhalb des Toleranzbands der Sicherungskennlinie liegen. • Der Kurzschlussstrom IK, der möglichst schnell (< 10 s) abgeschaltet werden soll, ergibt sich aus der Batteriekapazität. Unter Berücksichtigung der Batteriealterung und eines raschen Abfalls vom Anfangskurzschlussstrom kann als Anhaltswert mit der 5-fachen Batteriekapazität K gerechnet werden: IK (A) = 5 K (Ah).

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme

Beachte: Dieser Wert gilt nur für die Kennlinienauswahl. Das erforderliche Ausschaltvermögen der Sicherung muss mindestens der 20-fachen Batteriekapazität entsprechen: I1 (A) ≥ 20 K (Ah). Mit Ausnahme sehr kleiner Batterien sind daher auch bei Gleichspannungen unter 80 V SITOR- oder SILIZED-Sicherungen erforderlich.

Hinweis: Batterieschalter und Sicherungsunterteile müssen die Verlustleistung der Sicherungen aufnehmen können. Da bei kurzen Einsatzzeiten die Enderwärmung nicht erreicht wird, ist die höhere Bemessungsleistungsabgabe der Halbleiterschutzsicherungen meistens unkritisch.

Kondensatorschutz in Kompensationsanlagen Die Sicherungsnormen IEC 60269 und VDE 0636 definieren Sicherungen zum Unterbrechen induktiver Ströme. Leistungsfaktoren < 0,1 und kapazitive Stromkreise sind nicht erfasst. Da jeglicher anerkannter Prüfnachweis fehlt, muss man davon ausgehen, dass die hervorragenden Schalteigenschaften, die Sicherungen beim Unterbrechen induktiver Ströme zeigen, sich nicht auf kapazitive Ströme übertragen lassen. Trotzdem ist der Einsatz von gGSicherungen in Stromkreisen mit Kondensatoren, besonders bei Kompensationsanlagen, gängige Praxis. Technisch ist diese Anwendung durchaus vertretbar, wenn bestimmte Regeln eingehalten werden.

Beachte: Die wichtigste Regel besagt: Sicherungen sollen niemals unter Einfluss kapazitiver Ströme auslösen.

Schmelzsicherungen sollten deshalb nicht zum Überlastschutz von Kondensatoren verwendet werden. Der Überlastschutz der Kondensatoren erfolgt durch eingebaute Überdruck-Abreißsicherungen. Schmelzsicherungen sind nur zum Schutz bei inneren Kurzschlüssen und äußerer Überbrückung eines Kondensators oder einer Kondensatorbatterie vorgesehen. Diese induktiven Fehlerströme beherrschen sie bestimmungsgemäß. Die Missachtung dieser Regel führt immer wieder zu unschönen Ereignissen speziell in Kompensationsanlagen.

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Missglückte Abschaltung einer Stromresonanz.

Solche Ereignisse sind bei besserem Verständnis der besonderen Vorgänge in Stromkreisen mit Kondensatoren und bei sorgfältiger Sicherungsauswahl durchaus vermeidbar. Wichtige Hinweise zu den betrieblichen Anforderungen an Kondensatoren, die bei der Sicherungsauswahl zu beachten sind, sind auch in VDE 0560-46 “Selbstheilende Leistungs-Parallelkondensatoren“ zu finden. Die folgenden Regeln gelten allgemein für die Auswahl von Sicherungen zum Absichern von Parallelkondensatoren: • Sicherungen müssen den maximalen Betriebsstrom der Kondensatoren von 1,5 IN dauernd führen können (VDE 0560-46). Empfohlen ist daher ein Sicherungsbemessungsstrom, der mindestens das 1,6- bis 1,8-fache des Kondensatornennstroms beträgt. • Sicherungen müssen Kondensator-Einschaltströme unbeschadet durchlassen. Das Einschalten von Kondensatoren und Kondensatorbänken ist mit sehr hohen Einschaltströmen bis zum 100-fachen des Kondensatornennstroms verbunden. Diese hohen Stromspitzen können Engstellen der Schmelzleiter schädigen und mit der Zeit die Stromtragfähigkeit vermindern. Dadurch kann es zu Überhitzung und spontaner Auslösung der Sicherung unter nicht beherrschten Schaltbedingungen kommen. Abhilfe schaffen ausreichend dimensionierte Sicherungen, voreilende, widerstandsbehaftete Einschaltkontakte des Kondensatorschützes oder Thyristorschalter, die im Spannungsnulldurchgang “sanft” einschalten. • Sicherungen und Kondensatoren dürfen nicht übermäßig durch Oberwellenströme oder Resonanzen belastet werden. Kondensatoren haben bei Netzfrequenz eine definierte Impedanz, die eine Überlast praktisch ausschließt. Nichtlineare Verbraucher, besonders elektronische Netzgeräte und Steuerungen erzeugen Stromoberschwingungen, welche die Kondensatoren und Sicherungen zusätzlich

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belasten. In Industrienetzen können Oberschwingungen leicht den Effektivwert der Grundschwingung erreichen. Mögliche Folgen sind Überhitzung und Fehlfunktion von Sicherungen mit zu kleinem Bemessungsstrom. Bei zu hohem Oberschwingungsanteil hilft nur die “Verdrosselung” (Vorschalten von Induktivitäten) der Kompensationsanlage, um die Kondensatoren vor unzulässiger Überlast zu schützen. Die Sicherungsauswahl soll Ausgleichsströme zwischen benachbarten Kondensatorbänken berücksichtigen. Beim separaten Schalten oder bei Fehlern in einzelnen Kondensatoreinheiten fließen Ausgleichsströme zwischen benachbarten Kondensatorbänken. In solchen Anordnungen soll die Absicherung der Kondensatoreinheiten eine bis zwei Bemessungsstromstufen größer gewählt werden. Die Bemessungsströme der Gruppensicherungen sollen mindestens das 2,5-fache der Einzelsicherungen betragen. Sicherungen sollten möglichst hohe wiederkehrende Spannungen beherrschen. Resonanzen und Rückzündungen beim Ausschalten von Kondensatoren können wiederkehrende Spannungen erzeugen, welche die Netzspannung und damit die Bemessungswerte der Sicherung übersteigen.

Diese Erscheinungen sind vergleichbar dem Abschalten langer unbelasteter Hochspannungsleitungen und in der Niederspannung weniger beachtet.

Kondensatorabschaltdiagramm.

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme Besondere Anwendungen und Umgebungsbedingungen Umgebungstemperaturen > 40 °C Umgebungstemperaturen > 40 °C stellen für die Funktion von Teilbereichssicherungen keine wesentliche Beeinträchtigung dar. Ihr Auslöseverhalten bleibt praktisch unverändert. Bei einer Schmelztemperatur von 960 °C (Silber) sind abweichende Umgebungstemperaturen für das Auslöseverhalten vernachlässigbar. Zu beachten sind jedoch die jeweiligen Grenztemperaturen für Kontakte und Leiteranschlüsse, die die zulässigen Betriebsströme begrenzen können. Bei Ganzbereichssicherungen (z. B. gG-Sicherungen) mit Schmelztemperaturen unter 200 °C ergeben sich Verschiebungen der Kennlinien zu kleineren Schmelzströmen und damit eine deutlich geringere Belastbarkeit bei erhöhten Temperaturen. Umgebungstemperaturen < 5 °C Umgebungstemperaturen < 5 °C sind für Sicherungen wenig kritisch. Die Schmelzzeiten von Ganzbereichssicherungen verlängern sich etwas, bei Teilbereichssicherungen ist der Effekt vernachlässigbar. Kunststoffteile können spröde werden und bei Schlagbeanspruchung leichter brechen. Niedrige Umgebungstemperaturen wirken sich generell positiv auf die elektrische Belastbarkeit von Sicherungen und Schaltgerätekombinationen aus.

Belastbarkeit von Schmelzsicherungen: Die Belastbarkeitskurven gelten für Sicherungen bei freier Konvektion der umgebenden Luft im Verteiler. Eingeschränkte Konvektion in engen Gehäusen oder forcierte Kühlung sind besonders zu betrachten.

NH-Sicherungen in Gehäusen Bei Anhäufung von Sicherungen und anderen Wärme abgebenden Geräten in einem Gehäuse begrenzen die Gehäusegröße und die Art der Kühlung die Belastbarkeit. Bei der Erwärmungsprüfung nach VDE 0660 Teil 500 “Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen” wird berücksichtigt, dass in der Regel nicht alle Stromkreise gleichzeitig voll belastet sind, und entsprechend ihrer Anzahl wird bei Erwärmungsprüfungen ein

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme Belastungsfaktor < 1 angesetzt. Dieser gilt, wenn der Hersteller der Anlage keine anderen Werte nennt. Die Belastbarkeit von NHSicherungen in Gehäusen mit hoher Packungsdichte und mit eingeschränkter Wärmeabfuhr ist ebenfalls nur durch Erwärmungsmessungen zu bestimmen. Die Grenztemperaturen der einschlägigen Normen sind meistens nicht zielführend. Weder die höchstzulässige Lufttemperatur (40 °C gemessen im Abstand von einem Meter) noch die durch den Gebrauch von PVC-isolierten Leitern bestimmte Grenztemperatur der Leiteranschlüsse (65 K) eignen sich zur Beurteilung der Belastbarkeit von Sicherungen.

Belastungsfaktoren in Verteilungen (IEC 60947-1).

Zahl der Stromkreise

Belastungsfaktor

1

1

2-3

0,9

4-5

0,8

6-9

0,7

≥ 10

0,6

Hinweis: VDE 0636 definierte auf nationaler Ebene eine Grenztemperatur von 55 °C für die direkt umgebende Luft von gG-Sicherungen in Gehäusen, bei der die Sicherungen nicht auslösen durften. Dieser Wert fand keinen Eingang in die Internationale Norm und verschwand damit auch aus VDE 0636.

Feuchtigkeit und Verschmutzung Feuchtigkeit und Verschmutzung beeinträchtigen die Funktion von Sicherungen nicht. Starke Verschmutzung und Feuchte können jedoch Isolierstrecken gefährden und die Rostbildung beschleunigen. Für NHSicherungseinsätze, die bei einem Verschmutzungsgrad ≥ 3 (VDE 0110 Teil 1), z. B. in Kabelverteilerschränken mit Streusalzeinwirkung, eingesetzt werden sollen, kann gemäß VDE 0636 Teil 201 eine verschärfte Korrosionsprüfung vereinbart werden.

Korrosive Atmosphären Schwefel- oder stark ammoniakhaltige Atmosphären in chemischen Betrieben oder landwirtschaftlicher Tierhaltung gefährden versilberte Kontakte durch erhöhte Korrosion. Unter solchen Bedingungen sind verzinnte oder vernickelte Kontakte besser geeignet. Zu beachten sind jedoch die niedrigeren Grenztemperaturen für diese Kontaktoberflächen. Sie erfordern in der Regel einen Reduktionsfaktor, der die größten

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme Bemessungsstromstärken der Baugrößen praktisch ausschließt. Ausnahme ist der reine Backup-Schutz, z. B. in Kompensationsanlagen. Vernickelte NH-Kontakte in NH-Unterteilen oder Schaltgeräten erfordern gegenüber der versilberten Ausführung einen erhöhten Kontaktdruck.

TIPP: Über die richtige Oberflächenbeschichtung der Kontaktflächen von Sicherungsunterteilen und Sicherungseinsätzen sowie die anzuwendenden Reduktionsfaktoren sollten unbedingt Informationen beim Siemens Customer Service Center eingeholt werden.

Hinweis: Als besonders kritisch haben sich Blindstrom-Kompensationsanlagen in Betrieben mit korrosiver Atmosphäre erwiesen, da der geringeren thermischen Belastbarkeit vernickelter NH-Kontakte eine zusätzliche Strombelastung durch Oberwellen gegenübersteht. In solchen Anlagen sollte ein möglichst großer Sicherungsbemessungsstrom gewählt werden.

Hinweis: Die Grenztemperatur für vernickelte Kontakte ist in VDE 0636 nicht sehr klar geregelt. Einerseits wird eine Grenzübertemperatur von 70 K angegeben, andererseits in einer Fußnote diese wieder aufgehoben durch den Vermerk: “Begrenzt nur durch die Auflage, dass an benachbarten Teilen keine Schäden verursacht werden“. Damit wären vernickelte Kontakte als gleichwertig zu versilberten anzusehen. Leidvolle Erfahrung vieler Hersteller und Anwender spricht dagegen. Diese Erfahrung fand auch in der D-Sicherungsnorm VDE 0636-301 ihren Niederschlag, die vernickelte Kontakte nur bei kleinen Bemessungsströmen zulässt. Ab 63 A Bemessungsstrom sind wegen der zu erwartenden hohen Temperaturen versilberte Kontakte vorgeschrieben.

Ungewöhnliche Schwingungen und Stoßbeanspruchung Wenn besondere Sicherheit gegen Herausfallen der Sicherungseinsätze z. B. durch Erschütterungen gefordert wird, kommen in der Regel besondere Schraubensicherungen und Arretierungen der Sicherungseinsätze im Halter oder Sicherungsträger zum Einsatz. Solche besondere Bedingungen können in erdbebengefährdeten Gebieten, auf Schiffen und Schienenfahrzeugen vorliegen.

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme Parallelschalten von Sicherungen Das Parallelschalten von NH-Sicherungen ist eine gängige Praxis zur Erweiterung des Bemessungsstrombereichs einer Baugröße. So lässt sich z. B. eine Niederspannungsverteilung kompakter gestalten, wenn zur Einspeisung der Sammelschiene statt einer NH 4a-Leiste zwei NH 3Leisten parallel eingesetzt werden. Auch bei Windkraftanlagen ist es gängige Praxis, zur niederspannungsseitigen Einspeisung mehrere NH-Sicherungsleisten oder -Lastschaltleisten parallel zu schalten. Üblich ist auch das Parallelschalten von NHSicherungen zum Halbleiterschutz. Soweit entsprechende Sicherungshalter nicht bereits fertig montiert vom Hersteller bezogen werden, sind bei Parallelschaltung von Sicherungen und Sicherungsschaltgeräten einige wichtige Regeln und Hinweise zu beachten: • Die Sicherungseinsätze müssen gleiche Bauart, Größe und Bemessungsdaten haben, am besten völlig baugleich sein. • Zu- und Ableitungen sollten eine gleichmäßige Stromaufteilung ergeben. Bei längeren Leitungen empfiehlt es sich nachzumessen. Alternativ werden die Kabelanschlüsse zusammengeschaltet. Bei dieser Maßnahme sind jedoch die angeschlossenen Leitungen nicht einzeln, sondern nur als Bündel geschützt. • Parallel geschaltete NH-Sicherungslastschalter sollten mechanisch gekoppelte Schalthebel haben und ohne übermäßigen Kraftaufwand zu betätigen sein. • Der Bemessungsstrom von n parallelen Sicherungseinsätzen ist durch ungleiche Stromaufteilung stets kleiner als die Summe der Bemessungsströme n x In. Ausnahme: Mehrere parallele SITOR-Halbleiterschutzsicherungen können ohne Stromreduzierung einem Halbleiterbauelement zugeordnet werden. • • • • •

Das Schmelzintegral von n parallelen Sicherungen beträgt etwa n2 x I2t der einzelnen Sicherungen. Der Durchlassstrom n paralleler Sicherungen beträgt etwa n x Ic der einzelnen Sicherungen bei einem unbeeinflussten Kurzschlussstrom Ip/n. Das Ausschaltvermögen der Kombination kann nicht größer angenommen werden als I1 der einzelnen Sicherungen. Bei NH-Teilbereichssicherungen beginnt der Ausschaltbereich (Mindestausschaltstrom) nicht unterhalb n x k2/n. Zur Ermittlung der Erwärmung muss der volle Betriebsstrom für alle n parallelen Schaltgeräte angenommen werden, da es sich nur um einen einzigen Laststromkreis handelt.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

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5C – Netz-Schutz- und -Sicherungssysteme Reihenschaltung von Sicherungen Anders als bei der Parallelschaltung lässt sich durch Reihenschaltung von Sicherungen der Anwendungsbereich, speziell die Bemessungsspannung, in der Regel nicht vergrößern. Infolge unvermeidlicher Produkttoleranzen ist immer davon auszugehen, dass auch bei Reihenschaltung gleicher Sicherungen jede einzelne Sicherung die Stromunterbrechung bei voller wiederkehrender Spannung beherrschen muss. Ausnahme: Bei SITOR-Halbleiterschutzsicherungen kann von einer gleichmäßigen Spannungsaufteilung ausgegangen werden, wenn feststeht, dass der zu erwartende Kurzschlussstrom zu Schmelzzeiten ≤ 10 ms führt. Schutz von Photovoltaikanlagen Mit der stürmischen Entwicklung der regenerativen Energieerzeugung, besonders der Photovoltaik, entstand ein neues Anwendungsgebiet für Gleichstromsicherungen. Die Erzeugungsspannungen erreichen inzwischen Werte von 1.000 VAC. Diese Spannungshöhe ist für Starkstromsicherungen nicht ungewöhnlich. Schwieriger ist dagegen die Suche nach der passenden Charakteristik. Solarzellen liefern praktisch einen eingeprägten Strom der auch im Kurzschlussfall von der Sonneneinstrahlung vorgegeben, d. h. begrenzt wird. Betriebsströme und Fehlerströme liegen so dicht beieinander, dass für einen wirksamen Schutz Sicherungen mit sehr steilen Kennlinien benötigt werden, wie sie bei SITOR- und SILIZED-Halbleiterschutzsicherungen vorliegen. Die Betriebsanforderungen an Sicherungen für Photovoltaikanlagen sind am ehesten vergleichbar mit denen von USV-Anlagen (unterbrechungsfreien Stromversorgungsanlagen). In Hinsicht auf die Sicherungslebensdauer unter ständig wechselnder Last sind die Bedingungen jedoch noch wesentlich schärfer. Vorzeitiges Abschalten von Sicherungen durch Ermüdung des Schmelzleiters ist nicht akzeptabel, da hierdurch Betriebsunterbrechungen und Vergütungsausfälle entstehen. NichtAnsprechen oder Versagen der Sicherungen im Fehlerfall ist meistens noch kostenträchtiger und absolut unzulässig. Weitere

I N F O S

Allgemein anerkannte Regeln für die Auswahl und Prüfung von Sicherungen für Photovoltaikanwendungen gibt es mangels ausreichender Erfahrung in dieser neuen Technik noch nicht. Siemens arbeitet deshalb eng mit den Herstellern von Photovoltaikanlagen zusammen, um auch in diesem neuen Anwendungsgebiet optimierte Komplettlösungen anbieten zu können - vom Hauptschalter, über den Überspannungs- und Fehlerstromschutz bis hin zum Überstromschutz.

www.siemens.de/beta-fibeln

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Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

6 – Niederspannungs-Schaltanlagen

Niederspannungs-Schaltanlagen Wenn es darum geht, ein Energieverteilungskonzept mit Auslegung der Systeme und Anlagenteile zu entwickeln, sind die Anforderungen und Machbarkeiten von Endanwender und Hersteller aufeinander abzustimmen. Bei der Auswahl einer Niederspannungs-Hauptverteilung ist das Wissen über den Einsatz, die Verfügbarkeit und die späteren Erweiterungsmöglichkeiten Voraussetzung für eine wirtschaftliche Dimensionierung. Die Anforderungen an die Energieverteilung sind äußerst unterschiedlich. Sie beginnen mit Gebäuden, die weniger hohe Anforderungen an die Stromversorgung stellen, wie z. B. Bürogebäude, und gehen bis zu den hohen Anforderungen, die z. B. Rechenzentren stellen, bei denen ein reibungsloser Betrieb im Vordergrund steht.

Schaltanlage Sivacon S8.

Da bei der Planung von Energieverteilungen im Zweckbau keine größeren Schaltfunktionen in der NSHV berücksichtigt werden müssen und keine Erweiterungen zu erwarten sind, kann eine leistungsoptimierte Technik mit hoher Einbaudichte eingesetzt werden. Hier wird überwiegend sicherungsbehaftete Technik und Festeinbau eingesetzt. Bei der Energieverteilung für eine Produktion hingegen sind Verfügbarkeit, Erweiterbarkeit, Steuerung und Visualisierung wichtige Funktionen, um Stillstandszeiten so kurz wie möglich zu halten. Der Einsatz von sicherungsloser und sicherungsbehafteter Einschubtechnik ist hierbei eine wichtige Grundlage. Auch die Selektivität hat hier eine große Bedeutung für die Versorgungssicherheit. Zwischen diesen beiden Extremen gibt es eine Vielzahl von Varianten, die je nach Anforderungen des Kunden optimal angepasst werden sollen. Das Verhindern von Personen- und Anlagenschäden muss jedoch bei allen

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

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6 – Niederspannungs-Schaltanlagen Ausführungen an erster Stelle stehen. Bei der Auswahl der richtigen Schaltanlage ist daher darauf zu achten, dass eine typgeprüfte Schaltanlage (TSK) IEC 60439-1 und DIN VDE 0660-500 mit der erweiterten Prüfung bezüglich des Verhaltens im Störlichtbogenfall (IEC 61641, VDE 0660-500, Beiblatt 2) eingesetzt wird und die Auswahl der Schutzgeräte immer unter dem Aspekt der einzuhaltenden Vorschriften bezüglich der Anforderungen an das gesamte Netz (Vollselektivität, Teilselektivität) erfolgt.

Übersicht Die Niederspannungs-Schaltanlage Sivacon S8 ist eine variable, vielseitige und typgeprüfte Niederspannungs-Schaltgerätekombination (TSK), die sowohl in der infrastrukturellen Versorgung in Verwaltungs- und Zweckbauten als auch in der Industrie und im Gewerbe ihre Anwendung findet. Sivacon S8 besteht aus standardisierten und typisierten Bausteinkomponenten, die sich je nach Anforderung flexibel zu einer wirtschaftlichen Gesamtlösung kombinieren lassen. Sivacon S8 zeichnet sich durch hohe Funktionalität, Flexibilität und Qualität bei platzsparenden Abmessungen sowie durch ein Höchstmaß an Personen- und Anlagensicherheit aus. Siemens oder die autorisierten Vertragspartner übernehmen Folgendes: • die kundenspezifische Konfiguration • den mechanischen und elektrischen Aufbau • die Prüfung • Verwendung von typgeprüften Funktionsbaugruppen Folgende Einbautechniken stehen zur Verfügung (Beschreibung von links nach rechts): (1) Leistungsschalterfeld mit Sentron 3WL bis 4.000 A oder 3VL bis 1.600 A (2) Universaleinbautechnik für Kabelabgänge bis 630 A in Festeinbau und Stecktechnik (3NJ6) (3) Leistentechnik 3NJ6 (gesteckt) für Kabelabzweige bis 630 A in Stecktechnik (4) Festeinbaufeld (Frontblende) für Kabelabgänge bis 630 A sowie Installationseinbaugeräte. (5) Leistentechnik 3NJ4 (fest eingebaut) für Kabelabgänge bis 630 A (6) Blindleistungskompensation bis 600 kvar

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Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

6 – Niederspannungs-Schaltanlagen Weitere

I N F O S

Als Grundlage für unsere autorisierten Vertragspartner dient die von uns vorgegebene Dokumentation. Sivacon S8 ist als typgeprüfter Energieverteiler bis 4.000 A einsetzbar.

www.siemens.de/sivacon

Normen und Bestimmungen Sivacon S8 ist eine typgeprüfte Niederspannungs-Schaltgerätekombination (TSK) nach IEC 60439-1/DIN EN 60439-1/VDE 0660-500. Sivacon S8 ist störlichtbogensicher nach IEC 61641, DIN EN 60439 / VDE 0660500, Beiblatt 2 ausgeführt.

Leistungsschaltertechnik Die Felder für den Einbau von Leistungsschaltern Sentron 3WL und 3VL werden für Einspeisung der Schaltanlage sowie für Abgänge und SammelschienenKupplungen (Längs- und Querkupplung) eingesetzt. Für die gesamte Leistungsschaltertechnik gilt, dass nur ein Schalter pro Feld zur Anwendung kommt. Der Geräteeinbauraum ist für folgende Funktionen vorgesehen: • Einspeisungen/Abgänge mit Leistungsschalter 3WL in Festeinbau und Einschubausführung bis 4.000 A • Längs- und Querkupplung mit Leistungsschalter 3WL in Festeinbau und Einschubausführung bis 4.000 A • Einspeisungen/Abgänge mit Leistungsschalter 3VL in LeistungsschalterFesteinbau bis 1.600 A technik

Universaleinbautechnik Die Felder für Kabelabzweige in Festeinbau- und Stecktechnik bis 630 A sind für den Einbau nachstehender Schaltgeräte vorgesehen: • Leistungsschalter Sirius 3RV/3VL • Lasttrennschalter Sentron 3K • Lasttrennschalter Sentron 3NP • Lasttrennschalter Sentron 3NJ6 in steckbarer Ausführung

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

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6 – Niederspannungs-Schaltanlagen Die Schaltgeräte werden auf Montageplatten aufgebaut und mit der Einspeiseseite an die vertikalen Verteilschienen angeschlossen. Über einen Adapter wird der Einbau von steckbaren Leisten 3NJ6 ermöglicht. Nach vorn wird das Feld mit Feldtüren oder Fachtüren abgedeckt.

Universaleinbautechnik

Leistentechnik 3NJ6 gesteckt Die Felder für Kabelabzweige in Stecktechnik bis 630 A sind für den Einbau von Lasttrennschaltern in Leistenform vorgesehen. Durch den zuleitungsseitigen Steckkontakt bieten sie eine preiswerte Alternative zur Einschubtechnik. Sie ermöglichen durch ihre Modulbauweise eine leichte und schnelle Umrüstung bzw. Austausch unter Betriebsbedingungen. Der Geräteeinbauraum ist zur Aufnahme von steckbaren Leisten mit Polmittenabstand von 185 mm vorgesehen. Das Steckschienensystem ist hinten im Feld angeordnet und durch einen optionalen Berührungsschutz mit Abgriffsöffnungen in Schutzart IP20 abgedeckt. Leistentechnik 3NJ6 Somit wird ein Austausch der Leisten ohne gesteckt Abschaltung der Schaltanlage ermöglicht.

Festeinbautechnik mit Frontblenden Die Felder für Kabelabzweige in Festeinbautechnik bis 630 A sind für den Einbau nachstehender Schaltgeräte vorgesehen: • Leistungsschalter Sirius 3RV/3VL • Lasttrennschalter Sentron 3K • Lasttrennschalter Sentron 3NP • Installationseinbaugeräte

6–4

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

6 – Niederspannungs-Schaltanlagen Die Schaltgeräte werden auf stufenlos einstellbare Geräteträger aufgebaut und mit der Einspeiseseite an die vertikalen Verteilschienen angeschlossen. Nach vorn wird das Feld mit Blenden mit und ohne Schwenkfunktion oder mit zusätzlichen Türen mit oder ohne Sichtscheibe abgedeckt.

Festeinbautechnik mit Frontblenden

Leistentechnik 3NJ4 fest eingebaut Die Felder für Kabelabgänge in Festeinbautechnik bis 630 A sind für den Einbau von Sicherungs-Lasttrennleisten 3NJ4 vorgesehen. Die Sicherungs-Lasttrennleisten bieten mit ihrer kompakten Bauweise und dem modularen Aufbau optimale Einbaubedingungen hinsichtlich der erzielbaren Packungsdichte. Das Feldschienensystem ist horizontal hinten im Feld angeordnet. Dieses Feldschienensystem ist über Verbindungsschienen an das Hauptsammelschienensystem angeschlossen. Die Sicherungs-Lasttrennleisten werden direkt auf das Feldschienensystem aufgeschraubt.

Leistentechnik 3NJ4 fest eingebaut

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

6–5

6 – Niederspannungs-Schaltanlagen Checkliste für die innere Unterteilung der Felder gemäß IEC 60439-1, VDE 0660-500 Pkt. 7.7

6–6

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

6 – Niederspannungs-Schaltanlagen

Niederspannungs-Schutz- und -Schaltgeräte Beachte: Alle Darstellungen gelten für Niederspannungsnetze bzw. -verteilungen in IEC-Anwendungen. Für Anlagen nach UL-Normen gelten hiervon abweichende Bestimmungen und Kriterien.

Stromkreise und Gerätezuordnung Kernfunktionen in den jeweiligen Stromkreisen: Einspeisestromkreis Aufgabe: Anlagenschutz Schutzgerät: • ACB (offener Leistungsschalter) Verteilerstromkreis Aufgabe: Anlagenschutz Schutzgeräte: • ACB (air circuit breaker: offener Leistungsschalter) • MCCB (molded case circuit breaker: kompakte Leistungsschalter) • LTS (Lasttrennschalter) Endstromkreis Aufgabe: Motorschutz Schutzgeräte: • MCCB (Leistungsschalter für Motorschutz) • LTS (Lasttrennschalter) • MSP (Schütz 3RT, Überlastrelais 3RU, Motorschutz- und Steuergeräte 3UF)

Kernfunktionen der Schutzgeräte in den einzelnen Stromkreisarten.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

6–7

6 – Niederspannungs-Schaltanlagen Kriterien zur Geräteauswahl Ein Schutzgerät ist immer ein Teil eines Stromkreises und muss die entsprechenden Anforderungen erfüllen. Nachfolgend werden die wichtigsten Auswahlkriterien dargestellt. Die Grafik der Hauptauswahlkriterien zeigt die sieben wichtigsten Auswahlkriterien, die bei der Geräteauswahl mindestens berücksichtigt werden müssen.

Überblick über die Hauptauswahlkriterien.

Anforderungen an die Schutzgeräte in den drei Stromkreisarten Geräteeinsatz im Einspeisestromkreis Die Einspeisung ist der “sensibelste“ Stromkreis in der gesamten Energieverteilung. Bei einem Ausfall an dieser Stelle würde das gesamte Netz und damit das Gebäude oder die Produktion stromlos sein. Dieses Worst-Case-Szenario ist in die Planung einzubeziehen. Redundante Einspeisungen und selektive Schutzeinstellung sind wichtige Voraussetzungen zur sicheren Netzgestaltung. Um diese Voraussetzungen zu schaffen, ist die richtige Auswahl der Schutzgeräte von elementarer Bedeutung. Einige wichtige Dimensionierungseckdaten werden nachfolgend angesprochen. Bemessungsstrom Der Einspeiseleistungsschalter in der NSHV ist für die maximale Belastung des Transformators/Generators auszulegen. Bei der Verwendung von belüfteten Trafos ist der höhere Betriebsstrom von bis zu 1,5 • IN des Trafos zu berücksichtigen.

6–8

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

6 – Niederspannungs-Schaltanlagen Kurzschlussfestigkeit Die Kurzschlussfestigkeit des Einspeiseleistungsschalters wird bestimmt von (n–1) • Ik max des bzw. der Trafos (n = Anzahl der Trafos). Das heißt, der maximal auftretende Kurzschlussstrom an der Einbaustelle muss bekannt sein, um die entsprechende Kurzschlussstromfestigkeit des Schutzgeräts (Icu) festzulegen.

Bemessungsströme und Anfangskurzschlusswechselströme von DrehstromVerteiltransformatoren mit 50 bis 3.150 kVA.

Exakte Kurzschlussstromberechnungen inklusive Dämpfungen der Mittelspannungsebenen oder der verlegten Kabel können z. B. mithilfe der Dimensionierungssoftware Simaris design angestellt werden. Simaris design ermittelt die maximalen und minimalen Kurzschlussströme und dimensioniert automatisch die korrekten Schutzgeräte. Gebrauchskategorie Bei der Dimensionierung eines selektiven Netzes ist es unabdingbar, auf zeitliche Staffelung der Schutzgeräte zurückzugreifen. Bei Anwendung der zeitlichen Staffelungen bis zu 500 ms muss der ausgewählte Leistungsschalter in der Lage sein, den auftretenden Kurzschlussstrom über die eingestellte Zeit zu führen. Die Ströme sind in Trafonähe sehr hoch. Diese Stromtragfähigkeit gibt der Icw-Wert (Bemessungskurzzeitstromfestigkeit) des Leistungsschalters an; d. h., das Kontaktsystem muss in der Lage sein, den maximalen Kurzschlussstrom,

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

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6 – Niederspannungs-Schaltanlagen sprich die darin enthaltene Energie, bis zur Abschaltung zu führen. Diese Anforderung wird von Leistungsschaltern der Gebrauchskategorie B erfüllt (z. B. offene Leistungsschalter, ACB).

TIPP: Strombegrenzende Leistungsschalter (Kompaktleistungsschalter, MCCB) schalten im Stromanstieg ab. Deshalb können sie kompakter gebaut werden.

Auslöser Bei selektiver Netzgestaltung muss der Auslöser (trip unit) der Einspeiseleistungsschalter mit einer LSI-Charakteristik versehen sein. Der unverzögerte Auslöser (I) muss deaktivierbar sein. Je nach Kennliniencharakteristik der vor- und nachgeordneten Schutzgeräte sollten die Kennlinien des Einspeiseleistungsschalters im Überlastbereich (L) als auch im verzögerten Kurzschlussschutzbereich (S) optional umschaltbar sein (I4t- bzw. I2t-Kennlinienverlauf). Die Anpassung von vorund nachgeordneten Geräten wird damit erleichtert. Inneres Zubehör Abhängig von der jeweiligen Steuerung werden sowohl Spannungsauslöser (früher: Arbeitsstromauslöser) als auch Unterspannungsauslöser benötigt. Kommunikation Besonders von den sehr sensiblen Einspeisestromkreisen werden zunehmend Daten der aktuellen Betriebszustände, Wartungsinformationen, Fehlermeldungen und Analysen etc. gefordert. Gegebenenfalls ist Flexibilität hinsichtlich späterer Auf- bzw. Umrüstung auf die gewünschte Art der Datenübertragung gefordert. Geräteeinsatz in Einspeisestromkreisen (Kupplung) Wenn die Kupplung (Verbindung von Netz 1 zu Netz 2) offen betrieben wird, hat der Leistungsschalter nur die Funktion eines Trenners bzw. Hauptschalters. Eine Schutzfunktion (Auslöser) ist nicht unbedingt erforderlich. Die nachfolgenden Betrachtungen gelten für den geschlossenen Betrieb. Bemessungsstrom Der Bemessungsstrom ist für den maximal möglichen Betriebsstrom (Lastausgleich) zu dimensionieren. Der Gleichzeitigkeitsfaktor kann mit 0,9 angenommen werden.

6 – 10

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

6 – Niederspannungs-Schaltanlagen Kurzschlussfestigkeit Die Kurzschlussfestigkeit des Einspeiseleistungsschalters wird bestimmt durch die Summe der Kurzschlussanteile, die über die Kupplung fließen. Dies ist abhängig vom Aufbau der Teilschienen und deren Einspeisung.

Gebrauchskategorie Auch hier ist wie bei der Einspeisung die Gebrauchskategorie B für die Stromtragfähigkeit (Icw-Wert) notwendig. Auslöser Für die Versorgungssicherheit ist die selektive Abschaltung mit den Kupplungen zu betrachten. Da ähnlich wie beim Parallelbetrieb zweier Trafos im Fehlerfall Kupplungs- und Einspeiseschalter die gleichen Stromanteile sehen, ist die LSI-Charakteristik erforderlich. Bei größeren Netzen und/oder schwierig zu ermittelnden Schutzeinstellungen ist die Zusatzfunktion “Zeitverkürzte Selektivitäts-Steuerung“ (ZSS) einzusetzen. Geräteeinsatz im Verteilerstromkreis Der Verteilerstromkreis bekommt die Energie von der übergeordneten Ebene (Einspeisestromkreis) und speist diese in die nächste Verteilerebene (Endstromkreis) ein. Je nach Land, Gewohnheiten etc. können hier Leistungsschalter und Sicherungen für den Anlagenschutz eingesetzt werden. Es müssen die Vorgaben der Stromkreisdimensionierung erfüllt werden. Ist volle Selektivität gefordert, bietet der ACB Vorteile. Aus preislichen Gründen wird der ACB im Verteilerstromkreis aber häufig erst ab einem Nennstrom von mehr als 630 A oder 800 A eingesetzt. Da der ACB kein strombegrenzendes Gerät ist, unterscheidet er sich daher wesentlich von allen anderen Schutzeinrichtungen wie MCCB, MCB und Sicherungen. Da es sonst keine eindeutigen Empfehlungen geben kann, stellt die nachfolgende Tabelle die wesentlichen Unterschiede und Grenzen der jeweiligen Schutzgeräte dar. Geräteeinsatz im Endstromkreis Der Endstromkreis bekommt die Energie vom Verteilerstromkreis und führt diese zum Endverbraucher (z. B. Motor, Lampe, ortsveränderlicher Verbraucher (Steckdose) etc.). Die Schutzgeräte müssen die jeweiligen Bedingungen seines zu schützenden Endverbrauchers erfüllen.

Hinweis: Alle Schutzeinstellungen, Kennlinienvergleiche etc. beginnen immer von der Last aus. Das heißt, im Endstromkreis werden keine Schutzgeräte mit einstellbaren zeitlichen Staffelungen benötigt.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

6 – 11

6 – Niederspannungs-Schaltanlagen

Übersicht Schutzgeräte

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Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

7 – Schienenverteiler-Systeme

Schienenverteiler-Systeme Im Vergleich zur Kabelinstallation bieten Schienenverteiler-Systeme bedeutende Vorteile. Als erstes ist dabei die kompakte Bauweise, die niedrigere Brandlast sowie die hohe Flexibilität in punkto Erweiterung und Modifikation zu erwähnen. Auch die Planung ist einfach und überschaubar, und die Lebensdauer der eingesetzten Komponenten ist entsprechend hoch. Die Befestigung ist einfach, was zu kurzen Installationszeiten führt. Die Schienenverteiler-Systeme Sivacon 8PS sind außerdem typgeprüfte Niederspannungs-Schaltgeräte-Kombinationen (TSK) nach IEC/EN 60439-1 und -2, die eine entsprechend hohe Sicherheit aufweisen. Ein bedeutender Vorteile von Schienenverteiler-Systemen ist auch, dass Abgangskästen in kurzen Abständen wie sie in den Schienen vorgesehen sind gesteckt bzw. gezogen werden können. Dies kann auch ohne Freischalten der Spannung geschehen; es muss lediglich darauf geachtet werden, dass der Abzweig lastfrei ist (Ausnahme: BD2-AK02(03)-Abgangskästen und BD2-Abgangskästen mit Sicherungsunterteilen). Gemäß DIN EN 50110-1 (VDE 0105-1) muss jedoch immer auf die Einhaltung entsprechender nationaler Vorschriften geachtet werden. Denn was technisch geht, muss nicht in jedem Land auch erlaubt sein. Kurzum: Der Schienenverteiler hat seine Stärken im Transportieren, Verteilen, Schalten und Schützen von elektrischer Energie. Die Integration der Automatisierungs- und Gebäudesystemtechnik in die Siemens Schienenverteiler-Systeme ergibt weitere Pluspunkte. Dabei wird zudem die Flexibilität des Schienenverteilers erhöht. Durch die Kombination von Standard-Abgangskästen mit StandardGerätekästen wird besondere Effizienz bei Planung, Installation und im Betrieb gewährleistet.

Schienenverteiler-Systeme fügen sich harmonisch in das bauliche Gesamtbild ein. Stromschienen mit Abgängen für große Verbraucher, aber auch Stromschienen für den direkten Lichtanschluss sind möglich.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

7–1

7 – Schienenverteiler-Systeme 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7)

CD-K-System BD01-System Vernetzte Schienenverteiler BD2-System LD-System LX-System LRC-System

Übersicht der Schienenverteiler-Systeme bei Siemens.

Hinweis: Bei Siemens gibt es Schienenverteiler von 25 bis 6.300 A. Diese gibt es mit Stromschienen aus Kupfer und Aluminium. Die Schienen sind so gestaffelt, dass sie für unterschiedliche Anforderungen eine optimale Lösung darstellen.

Die standardmäßig vorhandenen Abgangskästen der Schienenverteiler-Systeme lassen sich durch Standardgerätekästen zu einer Systemlösung vernetzter Schienenverteiler kombinieren. Konstruktiv bedingt wird für den Schienenverteiler BD01 ein Gerätekasten auf Basis eines BD01-Gerätekastens verwendet. Für die Systeme BD2, LD und LX kommt je Applikation ein universeller Gerätekasten zum Einsatz. Die Standardapplikationen werden werksseitig aus der Kombination Abgangskasten und Gerätekasten konfektioniert. Die Verlegung der Busleitung zur Übertragung der Datensignale erfolgt in einem am Schienenkasten zu montierenden Kabelkanal.

Schalten und Melden mit dem BD2-System.

7–2

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

7 – Schienenverteiler-Systeme Wenn Sie das Planungskonzept einer Energieversorgung entwickeln, müssen Sie nicht nur die gültigen Normen und Bestimmungen beachten, sondern auch wirtschaftliche und technische Zusammenhänge klären und erörtern. Dabei müssen Sie die elektrischen Betriebsmittel, z. B. Verteiler und Transformatoren, so bemessen und auswählen, dass sie nicht als einzelnes Betriebsmittel, sondern insgesamt ein Optimum darstellen. Alle Komponenten müssen für die Belastungen sowohl im Nennbetrieb als auch für den Störfall ausreichend dimensioniert werden. Bei der Erstellung des Energiekonzepts müssen Sie außerdem folgende wichtige Punkte berücksichtigen: • Art, Nutzung und Form der Gebäude (z. B. Hochhaus, Flachbau oder Geschosszahl) • Ermitteln von Lastschwerpunkten, Feststellen von möglichen Versorgungstrassen und Standorten für Transformatoren und Hauptverteiler • Feststellung der gebäudebezogenen Anschlusswerte nach spezifischen Flächenbelastungen entsprechend der Gebäudenutzung • Bestimmungen und Auflagen der Baubehörden • Auflagen des Versorgungsnetzbetreibers Als Ergebnis der Planung werden Sie nie eine einzige Lösung erhalten. Vielmehr müssen Sie mehrere Varianten hinsichtlich der technischen und wirtschaftlichen Auswirkungen beurteilen. Dabei stehen folgende Forderungen im Vordergrund: • Einfache und überschaubare Planung • Hohe Lebensdauer • Hohe Verfügbarkeit • Geringe Brandlast • Flexible Anpassung an Änderungen im Gebäude Diese Forderungen lassen sich in den meisten Anwendungen durch den Einsatz geeigneter Schienenverteiler leicht und einfach erfüllen. Daher werden immer häufiger Schienenverteiler anstatt Kabelinstallationen von planenden Ingenieurbüros zum Energietransport und zur Energieverteilung eingesetzt. Siemens bietet Schienenverteiler von 25 bis 6300 A: • Das Schienensystem CD-K von 25 bis 40 A für die Versorgung von Leuchten und Kleinstverbrauchern • Das Schienensystem BD01 von 40 bis 160 A für die Versorgung von Werkstätten mit Abgängen bis 63 A • Das System BD2 von 160 bis 1250 A zur Versorgung von mittelgroßen Verbrauchern in Gebäuden und der Industrie • Das ventilierte System LD zur Versorgung von Verbrauchern mit mittelhohem Energieverbrauch in der Industrie • Das Sandwichsystem LX zur Energieverteilung von hohen Energiemengen in Gebäuden • Das vergossene System LRC zum Energietransport bei extremen Umgebungsbedingungen (IP68).

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

7–3

7 – Schienenverteiler-Systeme Die Energieverteilung ist der Haupteinsatzbereich der Schienenverteiler. Strom kann nicht nur an festgelegten Stellen, wie bei der Kabelinstallation, entnommen werden. Stromabgänge können vielmehr in der gesamten mit Energie zu versorgenden Anlage beliebig variiert werden. Um Energie abzunehmen, genügt es, einen Abgangskasten an der Abgangsstelle auf die Schiene zu stecken. Es entsteht eine variable Verteileranlage für eine linien- und / oder flächendeckende, dezentrale Energieversorgung. Die Abgangsstellen sind beidseitig oder einseitig an den geraden Schienenkästen angebracht. Zur Energieentnahme und zum Anschluss der Verbraucher gibt es beim Schienenverteilersystem je nach Ausführung und Anforderung Abgangskästen bis zu einem Bemessungsstrom von 1.250 A aus einer Abgangsstelle. Bestückt wird der Abgangskasten wahlweise mit Sicherungen, Sicherungslastschaltern, Leitungsschutzschaltern oder Leistungsschaltern. Bei allen Schienenverteiler-Systemen von Siemens können die Abgänge ohne Freischaltung des Schienenstrangs verändert werden. Gemäß DIN EN 50110-1 (VDE 0105-1) muss jedoch immer auf die Einhaltung entsprechender nationaler Vorschriften geachtet werden. Dabei gelten folgende Anforderungen: Muss-Anforderungen: • Der PE-Kontakt des Abgangskastens eilt bei der Montage vor und bei der Demontage nach. • Die Teile, die während Montage-, Demontage- oder Anschlussarbeiten unter Spannung stehen, sind vollständig gegen direktes Berühren (Schutzart IP2x) geschützt. • Die Montage ist nur in der korrekten Phasenlage möglich. Kann-Anforderungen: • Für Montage und Demontage wird zwangsläufig die Lastfreiheit sichergestellt. Diese Kannanforderung wird von den BD2A/BD2C-, LDA/LDC- und LXA/LXCAbgangskästen erfüllt. Ausnahme: BD2-AK02(03)-Abgangskästen und BD2-Abgangskästen mit Sicherungsunterteilen.

TIPP: Beispiele zur komfortablen Planung und Umsetzung von SchienenverteilerSystemen befinden sich im Planungshandbuch Sivacon 8PS im Internet unter: www.siemens.de/lowvoltage

Abgangskästen für die flexible Stromabnahme.

7–4

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

7 – Schienenverteiler-Systeme

Vergleich von Schienenverteilern und Kabelinstallationen Merkmal

Stromschienenverteiler

Kabelinstallation

TSK-Anlage

X

⎯

mechanische Sicherheit

hoch

gering

Brandlast

gering

hoch

Temperaturverhalten

Umgebungstemperatur gemäß DIN EN 60439-1 und -2 max. +40 °C und +35 °C im 24-Stunden-Mittel

Kabelbelastungen sind gemäß DIN 57298-4, Kap. 5.3.3.1 / DIN VDE 0298-4/2.88 auf +30 °C bezogen.

Netzaufbau

Übersichtlich, da linienförmiger Netzaufbau mit seriell angeordneten Verbraucherabgängen über Abgangskästen

Sehr große Kabelhäufung am Einspeisepunkt, da sternförmige Versorgung der Verbraucher von zentraler Energieverteilung

Schutzorgane für Verbraucher

Im Abgangskasten: dadurch direkte, sofort nachvollziehbare Zuordnung zum Verbraucher vor Ort

Zentral im Verteiler: Dadurch ist die Zuordnung zum Verbraucher nicht unmittelbar nachprüfbar. Man muss sich auf die Richtigkeit der Beschriftung von Kabel und Verbraucher verlassen.

Platzbedarf

gering

Hoch, da entsprechend große Verteilungen notwendig sind. Verlegungskriterien (Häufung, Verlegungsart, Strombelastbarkeit etc.) müssen beachtet werden.

Nachrüstbarkeit bei Veränderung der Verbraucherabgänge

Große Flexibilität durch Abgangsstellen in den Schienenkästen und große Anzahl von verschiedenen Abgangskästen

Nur mit hohem Aufwand möglich. Verlegung von zusätzlichen Kabeln von zentraler Verteilung zum Verbraucher.

Planung und Projektierung Einfach und schnell unter Einbeziehung von EDV-gestützten Planungstools Dimensionierung (Strom, geringer Aufwand Spannungsfall, Nullungsbedingungen)

Hoher Projektierungsaufwand (Verteilung und Kabelauslegungen, Kabelpläne etc) hoher Aufwand

Aufwand bei Fehlersuche gering

hoch

Brandschottung

typgeprüft, fabrikfertig

Abhängig von der Ausführungsqualität auf der Baustelle

Funktionserhalt

Geprüfter Funktionserhalt nach DIN 4102-12 Gering, durch Stahlblechkapselung und Leiterkonfiguration Wenig Montagematerial und Hilfsmittel, geringe Montagezeiten Gewicht bis zu 1/3 des vergleichbaren Kabelgewichts

Abhängig von der Ausführungsqualität auf der Baustelle Bei Standardkabel relativ hoch

Schienenkästen sind grundsätzlich halogen- und PVC-frei.

Standardkabel sind nicht halogen- und PVCfrei.

Elektromagnetische Beeinflussung Montage

Gewicht

Halogenfreiheit, PVCFreiheit

Aufwändiges Montagematerial und umfangreiche Hilfsmittel, hohe Montagezeiten Bis zum 3-fachen des Schienenverteiler-Gewichts

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

7–5

7 – Schienenverteiler-Systeme CD-K: 25 bis 40 A für die Versorgung von Leuchten und Kleinstverbrauchern Dieses System gibt es mit 3 und 5 Leitern in Schutzart IP54 bzw. IP55. Die Standardlängen sind 2 m und 3 m. Der Abstand der Abgangsstellen beträgt 0,5 m und 1 m . Die Bemessungsbetriebsspannung liegt bei 400 VAC. Die Abgangsstücke sind kodierbar.

Das Schienenverteiler-System CD-K von 25 A bis 40 A.

BD01: 40 bis 160 A für Werkstätten mit Abgängen bis 63 A Bei nur einer Baugröße stehen fünf Bemessungsströme (40 A, 63 A, 100 A, 125 A, 160 A) zur Verfügung. Das System besitzt vier Leiter (L1, L2, L3, N) während das Gehäuse den PE bildet. Die Standardlängen sind 2 m und 3 m. Der Abstand der Abgangsstellen liegt bei 0,5 m und 1 m. Die Einspeisung erfolgt durch eine Universaleinspeisung. Auch hier gibt es ein optionales Kodierset.

Das SchienenverteilerSystem BD01 von 40 A bis 160 A.

7–6

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

7 – Schienenverteiler-Systeme BD2: 160 bis 1.250 A zur Versorgung von mittelgroßen Verbrauchern in Gebäuden und industriellen Anwendungen Dieses Schienenverteiler-System ist für den Energietransport von einem Versorgungspunkt zu einem anderen einsetzbar. Darüber hinaus wird der BD2Schienenverteiler als Steigeleitung in Hochhäusern eingesetzt. Als Schienenmaterial für die fünf Leiter (L1, L2, L3, N, PE) kann Kupfer oder Aluminium gewählt werden. Standardlängen sind 3,25 m, 2,25 m und 1,25 m; Wahllängen gibt es von 0,5 m bis 3,24 m. Abgangskästen lassen sich beidseitig 0,25 m bzw. 0,5 m zueinander versetzt stecken. Für einen erhöhten Brandschutz gibt es Brandschotts mit Feuerwiderstandsklasse S90 und S120 nach DIN 4102, Blatt 2 bis 4.

Das Schienenverteiler-System BD2 von 160 A bis 1.250 A.

Beispiel: Schienenverteiler-Systeme BD2A 250 haben eine Brandlast von nur 1,32 kWh/m, vergleichbare Kabel (NYY 4 x 95/50 mm2) dagegen 5,19 kWh/m. Zudem sind die Schienen halogenfrei.

LDA/LDC: 1.100 bis 5.000 A als ventiliertes System zum Energietransport in Anwendungen mit hohem Energiebedarf Das System dient sowohl zum Energietransport als auch zur Energieverteilung. Es hat sich vor allem auch bei Verbindungen vom Transformator zur Niederspannungshauptverteilung und weiter zu den Unterverteilungen bewährt. Hierzu gibt es unter anderem ein Universalanschlussstück für Transformatoren sowie einen TSKVerteileranschluss an das System SIVACON von Siemens und für Fremdverteiler. Auch hier gibt es ein eigenes Brandschott, was den sicheren Umgang mit dem System vereinfacht.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

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7 – Schienenverteiler-Systeme

Das SchienenverteilerSystem LDA/LDC von 1.100 A bis 5.000 A.

LXA/LXC: 800 bis 5.000 A vorwiegend zum lageunabhängigen Energietransport und speziellen Leiterkonfigurationen wie doppelter N oder isolierter PE Durch die Lageunabhängigkeit ohne Derating eignet sich das System ideal für den Energietransport und die Energieverteilung in mehrgeschossigen Gebäuden. Unterstützt wird der vielfältige Einsatz durch ein 4- und 5-Leiter-System in vielfältiger Leiterkonfiguration, einschließlich separat geführtem PE sowie doppeltem N. Auch hier ist das Leitermaterial Kupfer oder Aluminium. Die Standardlängen sind 1 m, 2 m und 3 m, während es auch hier Wahllängen zwischen 0,35 m und 2,99 m gibt. Abgangsstellen können beidseitig angebracht werden. Brandschottung ist ebenfalls vorhanden.

Das Schienenverteiler-System LX von 800 A bis 5.000 A.

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Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

7 – Schienenverteiler-Systeme LR: 630 bis 6.300 A zum Energietransport bei extremen Umgebungsbedingungen (IP68) Dieses System besitzt ein Gehäuse aus Epoxid-Gießharz, das zur hohen Schutzart IP68 führt. Es ist damit ideal geeignet bei hoher Luftfeuchtigkeit, korrosiven oder salzhaltigen Atmosphären. Deshalb kann es auch im Freien verwendet werden. Für den sicheren Betrieb sorgen auch typgeprüfte NiederspannungsSchaltgerätekombinationen (TSK) nach IEC/EN 60439-1 und -2. Das gesicherte Ansprechen des Schutzorgans bei langen Strecken wird durch den vollen PE erreicht.

Das SchienenverteilerSystem LR eignet sich ideal für den Energietransport über weite Strecken im Außenbereich.

TIPP: Einfach planen, schnell montieren und flexibel einsetzen

Bei der Kabelinstallation werden neue Verbraucher über eine zusätzliche Unterverteilung unter erhöhtem Kosten- und Zeitaufwand angeschlossen.

Verbrauchernahe Abgangskästen beim Schienenverteiler schaffen Transparenz vor Ort.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

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7 – Schienenverteiler-Systeme Planungstipps und Besonderheiten BD2A/BD2C 1) 2) 3) 4) 5)

Gerade Schienenkästen Richtungsänderungen Einspeisekästen Abgangskästen Zusatzausrüstung

Übersicht Schienenverteiler BD2A/BD2C.

Durch die innovative Konstruktion des BD2-Schienenverteilers werden keine zusätzlichen Ausgleichskästen für die Dehnungskompensation der Stromschienen benötigt. Die auftretenden Längenausdehnungen, bedingt durch die Stromwärme, werden in der Schnellverbindungsklemme ausgeglichen. Des Weiteren kann der BD2-Schienenverteiler unabhängig von der Aufbaulage und der Schutzart immer mit 100 % Bemessungsstrom belastet werden. Eine Reduzierung ist nur bei reinem Energietransport in der Aufbaulage hochkant (auf 0,9 x Ie) erforderlich. Um große Leistungen mit kleinen Schienenquerschnitten zu verteilen, kann es sinnvoll sein, eine Mitteneinspeisung zu verwenden. Sie wird in der Mitte eines Strangs zwischen zwei Schienenkasten montiert. Mit einer Kabelzuleitung werden der linke und der rechte Strang gleichzeitig versorgt. Es können somit zum Beispiel bei einer 1.000 A-Mitteneinspeisung 2.000 A eingespeist werden. Hierbei müssen Sie dem Überlast- und Kurzschlussschutz des Schienensystems besondere Aufmerksamkeit widmen. In folgenden Fällen müssen Sie zusätzliche Schutzmaßnahmen treffen: • Wenn der Kurzschlussschutz nicht durch das vorgeschaltete Schutzorgan sichergestellt ist und/oder • wenn die Überlastung nicht durch die Art und Anzahl der Verbraucher gegeben ist.

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Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

7 – Schienenverteiler-Systeme Es gibt zwei mögliche Schutzmaßnahmen: 1. Verwendung einer Mitteneinspeisung mit je einem Kuppelkasten rechts und links neben der Einspeisung. Der Kuppelkasten ist mit einer Schutzeinrichtung (Sicherung oder Leistungsschalter) versehen, die die Kurzschluss- und Überlastfunktion sicherstellt. 2. Verwendung von zwei Endeinspeisungen, die mittig im Strangverlauf angeordnet werden. Die zwei Zuleitungen werden in der Verteileranlage separat abgesichert. Kuppelkästen werden eingesetzt, wenn es notwendig ist, Anlagenteile oder Bereiche der Energieversorgung abzuschalten oder entsprechend zuzuschalten. Zur Anpassung des Schienensystems an die tatsächliche Last kann der Querschnitt der Stromschiene reduziert und mit einem Kuppelkasten gegen Kurzschluss und Überlast geschützt werden. Abgangskästen werden zur Versorgung von Verbrauchern und Stromabgängen, z. B. zur Einspeisung kleinerer Schienenverteiler, verwendet.

Hinweis: Nicht jeder Abgangskasten hat eine Bemessungsspannung von 690 V und eine Kurzschlussfestigkeit entsprechend der Systemgröße. Die eingesetzten Abgangskästen müssen mit ihrer Kurzschlussfestigkeit und Bemessungsspannung zu den in der Anlage erforderlichen Werten passen. Bei Nichtübereinstimmung mit der Bemessungsspannung muss ein Abgangskasten mit passenden Einbauten gewählt werden. Bei größeren Kurzschlussströmen müssen diese durch vorgeschaltete Schutzgeräte (z. B. Leistungsschalter) begrenzt werden.

LDA/LDC 1) 2) 3) 4) 5) 6)

Zusatzausrüstung Abgangskästen Gerade Schienenkästen Richtungsänderungen Einspeisungen Verteileranschlusskästen

Übersicht Schienenverteiler LDA/LDC.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

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7 – Schienenverteiler-Systeme Die Nenneinbaulage des Schienenverteilers ist die horizontale Hochkantlage der Stromschienen. In seltenen Fällen - gegeben durch einen bestimmten Strangverlauf oder durch die Option, Abgangskästen seitlich zu stecken - ist eine Flachlage der Stromschienen nicht zu vermeiden. Durch die dadurch erhöhte innere Erwärmung des Systems ist eine Reduzierung des Bemessungsstroms notwendig. Gleiches gilt für vertikale Höhenversprünge > 1,3 m. Das Schienenverteilersystem LD ist ein belüftetes System. Bei der Erhöhung der Schutzart von IP34 auf IP54 (geschlossenes System) muss der Bemessungsstrom entsprechend reduziert werden. Die Werte lassen sich aus entsprechenden Tabellen des Herstellers entnehmen. Bedingt durch die Verlustwärme bei Nennbelastung dehnen sich die Stromschienen im Schienenkasten aus. Um diese Längenausdehnung zu kompensieren, müssen Sie bei der horizontalen Installation in definierten Abständen einen Dehnungsausgleich einplanen. Bei der vertikalen Installation ist jeder Schienenkasten mit einem Dehnungsausgleich ausgestattet.

Beim Schienenverteiler-System LDA/LDC ist eine Anbindung an das SiemensEnergieverteilersystem Sivacon als Typgeprüfte NiederspannungsSchaltgerätekombination (TSK) nach DIN EN 60439-1 und DIN EN 60439-2 möglich. Der Schienenverteiler kann sowohl von oben als auch von unten an das Verteilersystem angebunden werden. Die Anbindung zwischen Schienenverteiler und den Verteilersystemen Sivacon 8PV, 8PT, S4 und S8 garantiert eine hohe Kurzschlussfestigkeit, die durch Typprüfung sichergestellt ist und enorme Sicherheit für die Energieübertragung bietet.

Hinweis: Für Bemessungsströme bis 5.000 A werden durchgehend typgeprüfte Bausteine angeboten.

Verteileranbindung als Typgeprüfte Niederspannungs-Schaltgerätekombination (TSK) nach DIN EN 60439-1 und DIN EN 60439-2.

7 – 12

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

7 – Schienenverteiler-Systeme LXA/LXC 1)

2) 3) 4) 5) 6) 7)

Gerade Schienenkästen (mit oder ohne Abgangsstellen) Abgangskästen, unter Spannung steckbar Abgangskästen, fest installiert Einspeisekästen Anschluss an SiemensEnergieverteiler Richtungsänderungen Zusatzausrüstung für Wand- / Deckenbefestigung

Übersicht Schienenverteiler LXA/LXC.

Beim Schienenverteiler-System LXA/LXC ist eine Anbindung an das SiemensEnergieverteilersystem Sivacon als Typgeprüfte NiederspannungsSchaltgerätekombination (TSK) nach DIN EN 60439-1 und DIN EN 60439-2 möglich. Die Verbindung von Verteiler und LX-Schienenverteiler erfolgt über ein eingebautes Schienenverteiler-Anschlussstück für Bemessungsströme bis 5.000 A. Der Schienenanschluss kann hierbei sowohl von oben als auch von unten vorgenommen werden und ermöglicht eine flexible Anbindung. Die Anbindung zwischen Schienenverteiler und den Verteilersystemen Sivacon 8PV, 8PT, S4 und S8 garantiert eine hohe Kurzschlussfestigkeit, die durch eine Typprüfung sichergestellt ist und enorme Sicherheit für die Energieübertragung bietet. Bei Betrachtung der verschiedenen Bemessungsströme sowie der unterschiedlichen Reihenfolgen und Abständen der Phasen verfügen Transformatoren über eine hohe Typenvielfalt. Diese Typenvielfalt erfordert eine hohe Flexibilität beim Transformatoranschluss von Schienensystemen. Das dafür erhältliche universelle Anschlussstück kann auch zur Anbindung von Verteilern eingesetzt werden. Für LXSchienenverteiler bis 6.300 A stehen Transformatoranschlussstücke mit Schienenanschluss seitlich und Schienenanschluss oben zur Verfügung.

Für LX-Schienenverteiler bis 6.300 A gibt es Anschlussstücke an Transformatoren und Verteiler mit Schienenanschluss seitlich (links) und Schienenanschluss oben (rechts).

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

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7 – Schienenverteiler-Systeme LRC Grundsätzlich dient das System LRC (IP 68) dem reinen Energietransport. Trotzdem besteht die Möglichkeit, durch den Einsatz von geraden Schienenkästen mit Abzweigstellen und entsprechenden Abzweigkästen auf dem LRC-Strang Energieabgriffe für Verbraucher zu schaffen. 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8)

Gerade Schienenkästen Einspeisekästen Richtungsänderungen Abzweigkästen Zubehör Adapter auf das LX-System Dehnungsausgleich Vergossenes Verbindungselement

Aufbau System LRC.

Der Abzweigkasten ermöglicht eine Stromentnahme bis 630 A. An dem Abzweigkasten erfolgt der Anbau eines Geräteraums (rechts vom Abzweigkasten gestrichelt). In den Geräteraum werden projektspezifische Schaltgeräte, z. B. Leistungsschalter, eingebaut und elektrisch sowie mechanisch an den Abzweigkasten angeschlossen.

Beachte: Abzweigkästen sind hier grundsätzlich nicht unter Spannung steckbar.

Gerader Schienenkasten mit Abzweigkasten beim LXR-Verteilersystem.

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Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

7 – Schienenverteiler-Systeme

Ermittlung des Spannungsfalls Dimensionierung und Auswahl Bei großen Stranglängen kann es notwendig werden, den Spannungsfall zu berechnen: ∆U = k • √3 • IB • I • (R1 • cosϕ + X1 • sinϕ) • 10-3 ∆U IB l k R1 X1 cos ϕ

= Spannungsfall (V) = Bemessungsstrom (A) = Gesamtlänge des Systems (m) = Belastungsverteilungsfaktor = ohmscher Widerstand (mΩ/m) bei Schienenenderwärmung = induktiver Widerstand (mΩ/m) bei Schienenenderwärmung = Leistungsfaktor

Der Belastungsverteilungsfaktor k für die Berechnung des Spannungsfalls am Ende des Schienenverteilersystems ist wie folgt definiert: • k = 1, wenn die Last auf das Ende Schienenverteilersystem konzentriert ist (Energietransport). • k = (n +1) / (2 x n), wenn die Last gleichmäßig auf n Abzweige verteilt ist. Falls Sie den Spannungsfall im Abstand d zwischen dem Anfang eines Abzweigs und dem Anfang des Schienensystems berechnen wollen, gilt: • k = (2 x n + 1 - n x d/L) / (2 x n) Spannungsfalldiagramme Die folgenden Diagramme zeigen den Spannungsfall der Systeme BD2A/BD2C, LDA/LDC, LXA/LXC und LRC • unter Berücksichtigung der Warmwiderstände (entsprechend EN 60439-2) • bei einem Belastungsverteilungsfaktor k = 1 für LDA/LDC, LXA/LXC und LRC k = 0,5 für BD2A/BD2C • bei Belastung mit dem Bemessungsstrom. (Bei einem anderen Stromverteilungsfaktor muss der Kurvenwert mit dem entsprechenden Verteilungsfaktor multipliziert werden). Bei Anlagen mit ungleichmäßig verteilter Last verweisen wir auf das Kurzschlussund Lastfluss-Berechnungsprogramm Simaris design.

Spannungsfall BD2A

Spannungsfall BD2C

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

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7 – Schienenverteiler-Systeme

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Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

7 – Schienenverteiler-Systeme Überlast- und Kurzschlussschutz Schienenverteiler müssen gegen Kurzschluss und Überlast geschützt werden. Als Schutzorgane kommen Sicherungen und Leistungsschalter zur Anwendung. Bei der Auswahl der Schutzgeräte können die Höhe der zu erwartenden Kurzschlussströme, Selektivitätsanforderungen oder Bedien- und Meldefunktionen mit entscheidend sein. Bei der Festlegung des Kurzschlussschutzes durch Sicherungen und Leistungsschalter dürfen die angegebenen Kurzschlussfestigkeiten der Schienenverteiler nicht überschritten werden. Es ist von der Höhe des zu erwartenden Kurzschlussstroms abhängig, ob ein Strom begrenzendes Schutzorgan erforderlich ist und welches Kurzschluss-Ausschaltvermögen das Schutzorgan haben muss. Im Allgemeinen gilt: I’’k ≤ Icc ≤ Icu I’’k = zu erwartender Kurzschlussstrom am Einbauort Icc = bedingter Bemessungskurzschlussstrom des Schienenstrangs Icu = Bemessungskurzschluss-Ausschaltvermögen des Leistungsschalters

TIPP: Die Auslösecharakteristik des Schutzorgans ist entsprechend der Kurzschlussfestigkeit der Schienensysteme, der Netzform, Art und Anzahl der Verbraucher sowie den länderspezifischen Vorgaben und Typserien zu wählen. Für diese Auswahl empfehlen wir die Verwendung von Netzberechnungsprogrammen wie SIMARIS design. Schleifenimpedanz Da die Größe der Schleifenimpedanz maßgeblich für die Höhe des 1-poligen Kurzschlussstroms ist, schreibt die DIN VDE 0100-610 vor, die Schleifenimpedanz zu ermitteln zwischen: • Außenleiter und Schutzleiter oder • Außenleiter und PEN-Leiter. Der Wert darf ermittelt werden durch: • Messung mit Messgeräten oder • Rechnung oder • Nachbildung des Netzes am Netzmodell.

TIPP: Mithilfe der Schleifenimpedanz der gesamten Schienenverteileranlage lässt sich der zu erwartende kleinste 1-polige Kurzschlussstrom einfach berechnen. Iklmin =

c • Un √3 • Zk

c Un Zk

= Spannungsfaktor 0,95 = Spannung zwischen den Außenleitern = Kurzschlussimpedanz

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7 – Schienenverteiler-Systeme

TIPP: Aufwändig ist es, die Schleifenimpedanz aller dazu beitragenden Betriebsmittel einer Anlage (Netzeinspeisung, Transformatoren, Verteiler, Kabelstrecken etc.) zu ermitteln. Hier reduziert die Verwendung einer Netzberechnungssoftware, wie SIMARIS design, die die notwendigen Daten der gängigen elektrischen Betriebsmittel in einer Datenbank enthält, maßgeblich den Planungsaufwand.

Schutzarten für Schienenverteiler Einsatz in feuergefährdeten Betriebsstätten In feuergefährdeten Betriebsstätten werden nach europäischer Norm HD 384.4.482 S1 erhöhte Anforderungen an die Schutzart von elektrischen Betriebsmitteln gestellt. Wenn eine Feuergefährdung aufgrund der Art der verarbeiteten oder gelagerten Materialien besteht, muss bei möglicher Staubansammlung die Mindestschutzart IP5X entsprechen. Wenn kein Staub zu erwarten ist, gelten entsprechend die nationalen Vorschriften. Die VdS Schadenverhütung des Gesamtverband der Deutschen Versicherungswirtschaft fordert: • bei Feuergefährdung durch Staub oder / und Fasern: Schutzart IP5X • bei Feuergefährdung durch andere leichtentzündliche feste Fremdkörper mit einem Durchmesser von 1 mm und größer: Schutzart IP4X. Die Schienenverteiler SIVACON 8PS von Siemens entsprechen diesen Forderungen. Sie sind folglich für diesen Einsatz geeignet. Berührungsschutz nach DIN EN 50274 Die Regelungen zum Berührungsschutz nach DIN EN 50274 gelten für das Gestalten elektrischer Betriebsmittel und deren Anordnung in elektrischen Anlagen mit einer Bemessungsspannung bis 1.000 V AC bzw. 1.500 V DC hinsichtlich des Schutzes gegen direktes Berühren, sofern Betätigungselemente (Drucktasten, Kipphebel, etc.) in der Nähe berührungsgefährlicher Teile angebracht sind. Der Berührungsschutz “Fingersicherheit” bezieht sich nur auf das Betätigungselement in Betätigungsrichtung. Dabei muss, ausgehend vom Mittelpunkt, im Umkreis des Betätigungselements zu berührungsgefährlichen Teilen ein Abstand mit dem Radius r = 30 mm sichergestellt sein. Die Schutzart IP20 ist mehr als der Berührungsschutz “fingersicher”. Sie beinhaltet den Berührungsschutz von elektrischen Betriebsmitteln aus allen Richtungen. Für Geräte mit Berührungsschutz “Fingersicherheit” und Schutzart IP00 kann auf Wunsch ein erweiterter Berührungsschutz durch Abdeckungen erreicht werden.

Hinweis: Die Schutzarten elektrischer Betriebsmittel nach DIN EN 60529 geben Auskunft über die Zusammenhänge von Berührungsschutz, Fremdkörperschutz und Wasserschutz.

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Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

7 – Schienenverteiler-Systeme

Schutzarten elektrischer Betriebsmittel (DIN EN 60529) 1. Kennziffer 1. Kennziffer Berührungsschutz Fremdkörperschutz IP00 kein besonderer Schutz kein besonderer Schutz

2. Kennziffer Wasserschutz kein besonderer Schutz

IP20 Fernhalten von Fingern gegen Festkörper ≥ 12,5 mm IP34 Fernhalten von gegen Festkörper ≥ 2,5 mm Werkzeugen IP41 Fernhalten von Draht gegen Festkörper ≥ 1 mm

kein besonderer Schutz keine schädliche Wirkung von Spritzwasser keine schädliche Wirkung von Tropfwasser (senkrechtes Tropfen)

IP43 Fernhalten von Draht

gegen Festkörper ≥ 1 mm

keine schädliche Wirkung von Sprühwasser

IP54 Fernhalten von Draht

gegen schädliche Staubablagerungen im Innern (staubgeschützt)

keine schädliche Wirkung von Spritzwasser

IP55 Fernhalten von Draht

gegen schädliche Staubablagerungen im Innern (staubgeschützt)

keine schädliche Wirkung von Strahlwasser

IP65 Fernhalten von Draht

gegen Eindringen von Staub (staubdicht) gegen Eindringen von Staub (staubdicht)

IP66 Fernhalten von Draht

IP67 Fernhalten von Draht

IP68 Fernhalten von Draht

keine schädliche Wirkung von Strahlwasser Wasser darf bei vorübergehender Überflutung nicht in schädlichen Mengen eindringen (starkes Strahlwasser) gegen Eindringen von Staub Wasser darf beim Eintauchen (staubdicht) nicht in schädlichen Mengen eindringen (zeitweiliges Untertauchen) gegen Eindringen von Staub Wasser darf beim Untertauchen (staubdicht) für unbestimmteZeit nicht in schädlichen Mengen eindringen (dauerndes Untertauchen)

Verteilungssysteme (Netzformen) nach IEC 60364-1 Erster Buchstabe: Erdungsbedingung der speisenden Stromquelle T = direkte Erdung eines Punkts I = entweder Isolierung aller aktiven Teile von Erde oder Verbindung eines Punkts mit Erde über eine Impedanz Zweiter Buchstabe: Erdungsbedingung der Körper der elektrischen Anlage T = Körper direkt geerdet , unabhängig von der etwa bestehenden Erdung eines Punkts der Stromversorgung N = Körper direkt mit der Betriebserde verbunden, in Wechselstromspannungsnetzen ist der geerdete Punkt im Allgemeinen der Sternpunkt Weitere Buchstaben : Anordnung des Neutralleiters und des Schutzleiters S = Neutralleiter- und Schutzleiterfunktionen durch getrennte Leiter C = Neutralleiter- und Schutzleiterfunktionen kombiniert in einem Leiter (PEN)

Legende zu den Netzformen:

1

Körper

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

2

Impedanz

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7 – Schienenverteiler-Systeme Übersicht: Verteilungssysteme (Netzformen) nach IEC 60364-1

TN-S-System: Neutralleiter- und Schutzleiterfunktion sind im System durchgehend getrennt.

TN-C-System: Neutralleiter- und Schutzleiterfunktion sind im gesamten System durchgehend zusammengefasst.

TN-C-S-System: Kombination zwischen Neutralleiter- und Schutzleiterfunktion. Sie sind in einem Teil des Systems in einem Leiter vereinigt, im anderen Teil sind sie getrennt.

TT-System: Im TT-System ist ein Punkt direkt geerdet; die Körper der elektrischen Anlage sind mit Erdern verbunden, die vom Betriebserder getrennt sind. Das TT-System entspricht dem System, in dem heute die Schutzmaßnahmen Schutzerdung, FI-Schutzschaltung und FU-Schutzschaltung angewendet werden.

IT-System: Das IT-System hat keine direkte Verbindung zwischen aktiven Leitern und geerdeten Teilen; die Körper der elektrischen Anlage sind geerdet. Das IT-System entspricht dem System, in dem heute die Schutzmaßnahme Schutzleitungssystem angewendet wird.

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Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

7 – Schienenverteiler-Systeme

Brandschottung Die Landesbauordnungen fordern, dass bauliche Anlagen so beschaffen sein müssen, dass “der Entstehung und der Ausbreitung von Feuer und Rauch vorgebeugt wird und bei einem Brand wirksame Löscharbeiten und die Rettung von Menschen und Tieren möglich sind”. So darf weder Feuer noch Rauchgas von einem Geschoss oder Brandabschnitt in einen anderen übertragen werden. Die Schienensysteme BD01 (für S90), BD2A/BD2C, LDA/LDC, LXA/LXC und LRC (für S120) können mit einer Brandschottung ausgerüstet werden und erfüllen damit generell die Bestimmungen für Gebäude, einschließlich Hochhäuser.

Hinweis: Die Systeme erfüllen die Anforderungen zum Nachweis der Feuerwiderstandsdauer gemäß Feuerwiderstandsklasse nach ISO 834-1 entsprechend DIN EN 60439-2. 1) 2) 3) 4)

Zulässige Temperaturerhöhung an Bauteilen max. 180 °C Brandraum: Befeuerung gemäß Einheitstemperaturkurve DIN 4102, Blatt 2 Zulässige Temperaturerhöhung der austretenden Luft max. 140 °C Es dürfen keine zündbaren Gase austreten. Es darf kein die Rettungsarbeiten behindernder Rauch austreten.

Die geforderten Bedingungen für einen Schienenverteiler in Anlehnung an DIN 4102 sind hier dargestellt.

Ausführungen Die Schienenverteiler werden anders als bei der Kabelinstallation mit einer Brandschottung ab Werk geliefert. Die Brandschottungen entsprechen den Feuerwiderstandsklassen S60, S90 und S120 nach DIN 4102-9 je nach Ausführung und Typ. Der Einbau der Brandschottung am Schienensystem erfolgt im Werk (BD2A/BD2C, LDA/LDC, LXA, LXC), vor Ort auf der Baustelle (BD01, LXA/LXC, LRC) oder kann entfallen (LRC). Wie der Einbau erfolgt, ist abhängig vom Aufbau des Schienensystems und der geforderten Feuerwiderstandsklasse.

Hinweis: Für den Einbau von Brandschottungen in Leichtbauwänden für die Systeme BD01, BD2A/BD2C und LDA/LDC wurden Brandschutzprüfungen durchgeführt und bestanden.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

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7 – Schienenverteiler-Systeme

BD2A/BD2C: S90 (Mauerstärke ≥ 15 cm) BD2A/BD2C: S120 (Mauerstärke ≥ 25 cm) LRC: S60

BD2A/BD2C: S120 (Mauerstärke ≥ 25 cm) LRC: S120

BD01: S90 LDA/LDC: S120 LXA/LXC: S120

Der Einbau der Brandschottung ist abhängig vom Schienensystem und der Feuerwiderstandsklasse. 1) 2) 3)

Schienensystem Brandschott aus Plattenmaterial oder Anstrich je nach System und Einbaufall vor und hinter der Wand bzw. über und unter der Decke Mit geeignetem Brandschutzmaterial verfüllter Wand- oder Deckendurchbruch

Hinweis: Der Raum zwischen Schienenwand und Mauerdurchbruch muss mit Mörtel oder Brandschottmasse ausgefüllt werden, die den geltenden Vorschriften zur Erstellung der Feuerwiderstandsklasse S90/S120 entsprechen müssen.

Hinweis: Zum Einbau der SIVACON 8PS Schienenverteiler-Systeme mit Brandschutz ist grundsätzlich ein Mindestabstand von 5 cm zwischen System bzw. Systembrandschutz und Baukörper im Durchbruch einzuhalten. Damit ist ausreichender Platzbedarf für die Strangmontage, die Befestigungsbügel und das Einmörteln in den Baukörper gewährleistet.

Magnetische Felder Die für Energieverteilung und Energietransport vorgesehenen Stromschienen erzeugen, physikalisch bedingt, in ihrer Umgebung elektromagnetische Wechselfelder mit der Grundfrequenz 50 Hz. Diese Magnetfelder können die störungsfreie Funktion von empfindlichen Gerätschaften, wie Computern oder Messwerkzeugen, negativ beeinflussen. In den EMV-Richtlinien bzw. den daraus resultierenden Normen sind keine Vorschriften oder Empfehlungen für die Planung von Schienenverteiler-Anlagen enthalten. Werden Schienenverteiler in Krankenhäusern eingesetzt, kann die DIN VDE 0100-710 zu Rate gezogen werden. In der DIN VDE 0100-710 werden Grenzwerte von netzfrequenten Magnetfeldern in Krankenhäusern festgelegt. So darf an dem Patientenplatz die magnetische Induktion bei 50 Hz folgende Werte nicht überschreiten: B = 2 x 10-7 Tesla für EEG B = 4 x 10-7 Tesla für EKG

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Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

7 – Schienenverteiler-Systeme Der Grenzwert für induktive Störungen zwischen mehradrigen Kabeln und Leitungen der Starkstromanlage, Leiterquerschnitt > 185 mm2, und den zu schützenden Patientenplätzen werden sicher unterschritten, wenn der laut DIN VDE 0100-710 empfohlene Mindestabstand von 9 m eingehalten wird. Bei dem Einsatz von Stromschienen kann dieser Abstand in der Regel geringer ausfallen, da die bauartbedingten Eigenschaften der Schienensysteme wirkungsvoll die magnetischen Störfelder für die Umgebung reduzieren. Um dennoch in der Planungsphase die Beurteilung der einzusetzenden Stromschienen zu ermöglichen, wurden umfangreiche Magnetfeldmessungen gemäß EN 60439-2 durchgeführt. Die Aufnahme der magnetischen Störstrahlung der Stromschienen-Systeme erfolgte an einer 9,0 m langen geraden Schienenanordnung. Die Stromschienen wurden symmetrisch mit Bemessungsstrom belastet und die Magnetfelder in acht Richtungen im 0,1 mRaster bis zu 1 m Abstand gemessen. Ergebnisse der Magnetfeldprüfung

BD2 Magnetfelder für Systeme Al 250 A, 400 A, 800 A, Cu 1250 A

BD2 Last-Abstandsprofil fur 0,2 µT der Systeme Al 250 A, 400 A, 800 A, Cu 1250 A

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

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7 – Schienenverteiler-Systeme

LDA Magnetfelder für Systeme Al 1250 A, 2500 A und 4000 A

LDA Last-Abstandsprofil fur 0,2 µT der Systeme 1250 A, 2500 A und 4000 A

LXA Magnetfelder für Systeme 800 A, 1600 A und 2500 A

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Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

7 – Schienenverteiler-Systeme

LXA Last-Abstandprofil fur 0,2 µT der Systeme 800 A, 1600 A und 2500 A

LXC Magnetfelder für Systeme 1000 A, 2000 A und 3200 A

LXC Last-Abstandprofil fur 0,2 µT der Systeme 1000 A, 2000 A und 3200 A

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

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7 – Schienenverteiler-Systeme

Hinweis: Zum Schutz vor Bränden werden im Gebäude- und Industriebereich Sprinkleranlagen eingesetzt. Sprinkleranlagen sind selbsttätige Feuerlöschanlagen. Ihre Funktion besteht durch Früherkennung ausbrechendes Feuer zu melden und schellst möglich zu löschen. Während des Löschvorgangs ist von einer Besprinklerung von mindestens 30 Minuten auszugehen. Die SchienenverteilerSysteme BD2A/BD2C, LDA/LDC und LXA/LXC wurden einer Sprinklerprüfung unterzogen. In Ermangelung einer verbindlichen Norm erfolgten die Prüfungen auf Basis eines praxisgerechten Prüfaufbaus.

7 – 26

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung

Grundlagen der Schaltplanerstellung Schaltplanarten Je nach Art der Pläne unterscheidet man: • Übersichtsschaltplan • Stromlaufplan • Ersatzschaltplan Früher wurden auch häufig “Wirkschaltpläne” erstellt. 3/N/PE ∼ 50 Hz 400 V 5

Übersichtsschaltplan: Der Übersichtsschaltplan (auch Blockdiagramm) ist die vereinfachte Darstellung einer Schaltung, bei der nur die wesentlichen Teile berücksichtigt werden. Er zeigt die Arbeitsweise und die Gliederung der elektrischen Einrichtung.

Übersichtsschaltplan

Stromlaufplan: Ein Stromlaufplan ist die ausführliche Darstellung einer Schaltung mit ihren Einzelteilen. Er zeigt die Arbeitsweise einer elektrischen Einrichtung. Der Stromlaufplan ist heute in der Elektrotechnik die am meisten verwendete Darstellungsform einer Schaltung.

Beispiel anhand einer Wendekombination mit elektrischer Verriegelung.

Nummern der Stromwege 1 a) Hauptstromkreis

2

3

4

5

6 7 b) Hilfsstromkreis

8

9

10

Stromlaufplan mit Haupt- und Hilfsstromkreis.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

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8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Er gliedert sich in Hauptstromkreis und Hilfsstromkreis (Steuerstromkreis und Meldestromkreis). Die einzelnen Stromkreise werden in dieser Reihenfolge, von links nach rechts getrennt, aufgezeichnet. Mit Hilfe der Betriebsmittelkennzeichnung werden nicht nur die kompletten Geräte als solche bezeichnet, sondern alle belegten Schaltglieder eines Geräts, die in den einzelnen Strompfaden dargestellt sind, erhalten die gleiche Betriebsmittelkennzeichnung.

Ersatzschaltplan: Der Ersatzschaltplan ist eine besondere Ausführung eines erläuternden Schaltplans für die Analyse und Berechnung von Stromkreiseigenschaften.

Beachte: In Schaltplänen werden die Schaltzeichen grundsätzlich im spannungsbzw. stromlosen und mechanisch nicht betätigtem Zustand gezeichnet. Abweichungen von dieser Regel müssen auf den Schaltplänen besonders angegeben werden (siehe DIN 40 900 T7, 03.88), z. B. Doppelpfeil.

Ein Beispiel aus der Praxis:

Der Doppelpfeil ⇑ kennzeichnet einen von der Regeldarstellung abweichenden Betriebszustand des Schaltglieds nach DIN 40900, Teil 7 (Hier Stellung der Schaltglieder bei angelegter Steuerspannung an den Klemmen A1 und A2).

Benutzung oder Abwandlung der Grundschaltungen Die im Verlauf dieses Kapitels dargestellten Grundschaltungen umfassen besonders häufig vorkommende Stromlaufpläne für Haupt- und Hilfsstromkreise. Sie sind neutral gehalten und geben keine Auskunft über eine räumliche Anordnung der Schaltgeräte. In den Stromlaufplänen der Hauptstromkreise sind im Allgemeinen Sicherungen zum Schutz bei Kurzschluss und Überlastrelais oder Überlastauslöser zum Schutz bei Überlast eingezeichnet. Bei der Erstellung der Stromlaufpläne für die Hilfsstromkreise wurden folgende Überlegungen zugrunde gelegt: • Zum Schutz des Hilfsstromkreises bei Kurzschluss ist eine Sicherung in der Zuleitung des Außenleiters eingezeichnet. • Die Hilfsschaltglieder der Überlastrelais, die zu einem Motor gehören, sind in die gemeinsame Zuleitung für die Magnetspulen aller zu diesem Verbraucher gehörenden Schütze gelegt. Hierdurch wird verhindert, dass nach Auslösung eines Relais der Motor vorzeitig über ein anderes Schütz wieder in Betrieb genommen werden kann.

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Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Schalten mit Schützen In der Schaltungstechnik ist das Schütz eines der wichtigsten Schaltgeräte. Es vereinigt in sich die Eigenschaften, die für Steuerungen fast immer erforderlich sind: • Fernbetätigung • Hohe Schalthäufigkeit und auch Dauereinschaltung • Hohe mechanische Lebensdauer • Geringer Platzbedarf • Zuverlässige Kontaktgabe • Völlige Wartungsfreiheit • Galvanische Trennung aller drei Leiter Zum Erfüllen dieser Aufgaben verlangt das Schütz: • Eine eindeutige Befehlsgabe • Die Beachtung des Toleranzbereichs der Spulenspannung Die Schützspulen sind entweder an die Spannung, die zwischen einem Außenleiter und dem Neutralleiter herrscht, angeschlossen oder sie werden zwischen zwei Phasen auf der Sekundärseite eines Steuerspannungstrafos angeschlossen. Vorzugsweise ist dann der zweite Außenleiter über eine Lasche mit dem Schutzleiter verbunden. Steuerstromkreise hinter Steuerspannungstrafos dürfen auch ungeerdet betrieben werden, wenn sie mit einer Isolationsüberwachung versehen werden. Die Magnetspulen der Schütze sind in den Stromlaufplänen so angeordnet, dass sie einerseits unmittelbar am Neutralleiter (gegebenenfalls an den für die Erdung vorgesehenen Außenleiter hinter einem Steuerspannungstransformator) und andererseits über die verschiedenen Schaltglieder der Steuerstromkreise am Außenleiter angeschlossen sind. Dadurch wird die Gefahr eines ungewollten Ansprechens der Schützspulen bei Erdschluss in den Steuerstromkreisen vermieden.

Beachte: Schütze, die nicht gleichzeitig eingeschaltet sein dürfen, sind gegenseitig über ihre Hilfsschaltglieder (Öffner) elektrisch verriegelt.

Die Befehlsgeber sind über Öffner (NC) gegenseitig verriegelt, um die Möglichkeit zu geben, ohne vorheriges Betätigen des Aus-Tasters unmittelbar von einem Schaltzustand in einen anderen umzusteuern. Diese Verriegelung macht außerdem Einschaltbefehle, die gleichzeitig auf mehrere Schütze gegeben werden (so genannte Doppelkommandos), unwirksam.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

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8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Schütze mit Ausschaltverzögerer bei flatterhafter Kommandogabe Eine flatterhafte Kommandogabe kann zum Rattern des Schützes führen und das Magnetsystem zerstören oder dazu, dass beim Schalten größerer Ströme die Schaltstücke verschweißen. Bei Siemens-Schützen ist der Toleranzbereich der anliegenden Spannung von 0,8 bis 1,1 • Us zu beachten. Eine zu hohe Bemessungssteuerspeisespannung Us führt zur Reduzierung der Lebensdauer oder sogar zum Verbrennen der Spule. Bei zu niedriger Bemessungssteuerspeisespannung Us kommt es zu einer drucklosen Berührung und damit zum Verschweißen der Schaltstücke. Eine weitere Folge ist ein Verbrennen der Spule und eine frühzeitige Abnutzung des Magnetsystems.

TIPP: Schütze mit Ausschaltverzögerer (z. B. RC-Glied) verhindern schädliche Auswirkungen bei nicht eindeutiger Befehlsgabe. Das Schaltbild zeigt den Stromlaufplan eines Hilfsstromkreises einer Steuerung mit Schützen mit Ausschaltverzögerer. Durch den Befehlsgeber S1 wird das ausschaltverzögerte Hilfsschütz K3 eingeschaltet, da der Öffner des Thermostats F4 geschlossen ist. Die Schließer von K3 betätigen die Schütze K1 und K2. Kommt es zu einer flatterhaften Befehlsgabe, z. B. durch Erschütterung des Öffners von F4, so bleiben die Schütze K1 und K2 einwandfrei eingeschaltet. Der Kondensator von E1 liefert bei kurzzeitigem Öffnen des Öffners von F4 Energie für die Schützspule K3. Schütz K3 mit 2S mit Gleichstrom-Sparschaltung, Befehlsgeber S1 mit 1S, Thermostat F4 mit 1Ö, Überlastrelais F1, F2 mit je 1Ö.

Verlängerte Hilfsschaltglieder bei Schützen (vornehmlich bei Gleichstrombetätigung) Bei Betätigen von Befehlsgeber S1 wird das Schütz K1 direkt über den eigenen verlängerten Öffner angesteuert. Die Spule von Schütz K1 wird so lange übererregt, bis der verlängerte Öffner von K1 öffnet und der Sparwiderstand R1 der Spule vorgeschaltet ist. Vorteil: Der Motor läuft normal an, während im Dauerbetrieb Energie gespart werden kann.

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Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung

Stromlaufpläne einer Schützsteuerung mit verlängertem Hilfsschaltglied, Betriebsmittelkennzeichen, -art und Zählnummer.

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütz K1 mit 1 verlängertem Ö Befehlsgeber S1 mit 1 S Thermostat F2 mit 1 Ö a) Hauptstromkreis

b) Hilfsstromkreis

Direktes Schalten von Drehstrom-Asynchronmotoren Stromlaufpläne für das direkte Ein- und Ausschalten von Drehstrom-Asynchronmotoren.

a) Hauptstromkreis

Tasterbetätigung b) Einschalten: Der Taster S1 betätigt das Schütz K1, der Selbsthaltekontakt K1 schließt, der Motor ist eingeschaltet. Ausschalten: Durch Betätigen von Taster SO öffnet der Selbsthaltekontakt K1 den Hilfsstromkreis. Das Schütz K1 öffnet, der Motor bleibt stehen. Dauerkontaktgabe c) Befehlsgeber S1 schaltet das Schütz K1 und dadurch den Motor ein und aus.

b) Hilfsstromkreis mit Selbsthaltung bei Tasterbetätigung

c) Hilfsstromkreis bei Dauerkontaktgabe

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütz K1 mit 1S Taster S0 mit 1Ö Taster S1 mit 1S Überlastrelais F2 mit 1Ö

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Befehlsgeber S1 mit 1S Überlastrelais F2 mit 1Ö

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

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8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Stromlaufpläne für das Umschalten von Drehstrom-Asynchronmotoren zur wahlweisen Speisung aus zwei unterschiedlichen Netzen.

a) Hauptstromkreis

b) Hilfsstromkreis bei Tasterbetätigung

Tasterbetätigung b) Einschalten: Der Taster S1 betätigt das Schütz K1, der Selbsthaltekontakt K1 schließt. Der Motor ist an Netz I angeschlossen. Umschalten: Durch Betätigen des Tasters S2 erhält das Schütz K1 über den Öffner des Tasters S2 Aus-Befehl und Schütz K2 über den Schließer des Tasters S2 EinBefehl. Der Ein-Befehl für das Schütz K2 wird erst wirksam, wenn der Öffner des Schützes K1 geschlossen ist. Der Selbsthaltekontakt K2 schließt. Der Motor ist an Netz II angeschlossen. Die Umschaltung von Netz II auf Netz I geschieht sinngemäß wie von I auf II. Ausschalten: Durch Betätigen des Tasters SO öffnet das Schütz K1 oder K2. Der Motor wird ausgeschaltet.

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütz K1 mit 1S+1Ö Schütz K2 mit 1S+1Ö Taster S0 mit 1Ö Taster S1 mit 1S+1Ö Taster S2 mit 1S+1Ö Überlastrelais F3, F4 mit je 1Ö

c) Hilfsstromkreis bei Dauerkontaktgabe Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütz K1 mti 1Ö Schütz K2 mit 1Ö Befehlsgeber S1 mit 3 Schaltstellungen Überlastrelais F3, F4 mit je 1Ö

Dauerkontaktgabe c) Der Befehlsgeber S1 schaltet laut Schaltstellungsanzeige das Schütz K1 oder K2 ein bzw. aus.

Hinweis: Die Steuerspannung wird vorzugsweise von einer Batterie oder einer unterbrechungsfreien Stromversorgungsanlage (USV-Anlage) abgenommen. Gegebenenfalls muss die Steuerspannung (allpolig) mit umgeschaltet werden.

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Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Stromlaufplan zum selbsttätigen Einschalten mehrerer DrehstromAsynchronmotoren nacheinander (Folgeschaltung).

a) Hauptstromkreis

b) Hilfsstromkreis für Tasterbetätigung mit Hilfsschütz, Überlastrelais OHNE Wiedereinschaltsperre.

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütze K1, K2, K3 mit je 2S Schütz K4 mit 1S+1Ö Hilfsschütz K5 mit 4S Taster S0 mit 1Ö Taster S1 mit 1S Tasterbetätigung mit Hilfsschütz b) Einschalten: Der Taster S1 betätigt das Hilfsschütz K5, der Selbsthaltekontakt K5 schließt. Der Schließer von K5 betätigt das Schütz K1. Der Schließer von K1 betätigt das Schütz K2 usw. bis K4, da die Schließer des Hilfsschützes K5 geschlossen sind. Die Motoren werden nacheinander durch die Schütze K1 bis K4 eingeschaltet. Die Anlaufstromspitzen treten nacheinander auf das Netz wird entlastet. (Diese Schaltung gilt für Motoren mit sehr kurzer Anlaufzeit oder bei kleinen Leistungen. Bei längeren Anlaufzeiten empfiehlt es sich, die einzelnen Motorkreise mit Zeitrelais oder zeitlich verzögertem Hilfsschalter gegeneinander zu verzögern, damit eine Netzentlastung gewährleistet ist). Ausschalten: Durch Betätigen von Taster SO öffnen die Schütze K1 bis K4 und K5. Alle Motoren werden gleichzeitig ausgeschaltet.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

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8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung

c) Hilfsstromkreis für Tasterbetätigung ohne Hilfsschütz, Überlastrelais MIT Wiedereinschaltsperre

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütz K1 mit 2S Schütze K2, K3 mit je 1S Taster S0 mit 1Ö Taster S1 mit 1S Tasterbetätigung ohne Hilfsschütz c) Einschalten: Taster S1 betätigt unmittelbar Schütz K1. Selbsthaltekontakt und Schließer von K1 schließen. Schütze K2 bis K4 schalten nacheinander ein. Die Motoren werden nacheinander eingeschaltet (siehe Tasterbetätigung mit Hilfsschütz). Ausschalten: Durch Betätigen von Taster SO öffnen die Schütze K1 bis K4. Alle Motoren werden gleichzeitig ausgeschaltet.

d) Hilfsstromkreis für Dauerkontaktgabe, Überlastrelais MIT Wiedereinschaltsperre

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütz K1, K2, K3 mit je 1S Befehlsgeber S1 mit 1S Dauerkontaktgabe d) Durch Schließen des Befehlsgebers S1 wird das Schütz K1 betätigt. Der Schließer von K1 schließt. Schütze K2 bis K4 schalten nacheinander ein (sonst wie unter Tasterbetätigung ohne Hilfsschütz).

8–8

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Stromlaufpläne für das Umsteuern der Drehrichtung von DrehstromAsynchronmotoren (Wendestarter).

a) Hauptstromkreis

b) Hilfsstromkreis bei Tasterbetätigung Tasterbetätigung b) Erforderliche Hilfsschaltglieder: Einschalten: Taster S1 betätigt das Schütze K1, K2 Schütz K1, der Selbsthaltekontakt mit je 1S+1Ö, K1 schließt, der Motor läuft z. B. Taster S0 mit 1Ö, rechts an. Taster S1, S2 Umschalten: Bei Betätigen von mit je 1S+1Ö, Taster S2 erhält Schütz K1 über Überlastrelais F2 den Öffner von S2 Aus-Befehl und mit 1Ö Schütz K2 über den Schließer des Tasters Ein-Befehl. Der Ein-Befehl für Schütz K2 wird erst wirksam, wenn der Öffner des Schützes K1 geschlossen ist. Der Motor wird abgebremst und läuft links an. Ausschalten: Durch Betätigen von Taster SO öffnet das Schütz K1 bzw. K2. Der Motor wird ausgeschaltet.

c) Hilfsstromkreis bei Dauerkontaktgabe Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütze K1, K2 mit je 1Ö, Befehlsgeber S1 mit 3 Schaltstellungen, Überlastrelais F2 mit 1Ö

Dauerkontaktgabe c) Der Befehlsgeber S1 schaltet das Schütz K1 bzw. K2 ein und aus und von Schütz K1 auf K2 oder umgekehrt um, sonst wie unter Tasterbetätigung.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8–9

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Polumschaltbarer Drehstrom-Asynchronmotor mit einer Wicklung (Dahlander-Schaltung), zwei Drehzahlen, einer Drehrichtung

TIPP: Die Anwendung der Dahlander-Schaltung bringt bei polumschaltbaren Motoren mit zwei Drehzahlen im Verhältnis 1:2 eine bessere Ausnutzung gegenüber einer Polumschaltung mit zwei getrennten Wicklungen, weil bei jeder Drehzahl die ganze Wicklung genutzt wird. Die Wicklung besteht aus zwei Spulengruppen je Phase. Durch Umschalten und Stromumkehr der entsprechenden Spulengruppen wird die Polumschaltung erreicht. Zur besseren Anpassung an das Gegenmoment gibt es verschiedene Dahlander-Schaltungen. Die gebräuchlichsten sind: • Dreieck/Stern-Stern für Antriebe mit konstantem Moment, Leistungsverhältnis P1/P2= 1: 1,4, • Stern-Stern/Dreieck für Antriebe mit konstanter Leistung, Leistungsverhältnis P1/P2=1 : 1, • Stern/Stern-Stern für Antriebe mit quadratischem Gegenmoment (z. B. Lüfterantrieb), Leistungsverhältnis P1/P2 =1 :4 bis 8.

a) Hauptstromkreis

Stromlaufpläne für einen polumschaltbaren DrehstromAsynchronmotor mit einer Wicklung (DahlanderSchaltung) für zwei Drehzahlen und eine Drehrichtung.

Weitere Vorteile sind: Es werden nur sechs Klemmen benötigt. Eine Änderung der Drehzahl wird durch Umschaltung und Sternpunktbildung ermöglicht. Bei der Dreieckschaltung ist Stern-Dreieck-Anlauf, bei der Stern-SternSchaltung der Anlauf über Einfachstern mit einem Strom- und Momentenverhältnis 1: 4 möglich.

8 – 10

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung b) Hilfsstromkreis bei Tasterbetätigung

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütz K1 mit 1S+1Ö, Schütz K2 mit 1S+1Ö, Schütz K3 mit 1Ö, Taster S0 mit 1Ö, Taster S1, S2 mit je 1S+1Ö, Überlastrelais F3, F4 mit je 1Ö Tasterbetätigung b) Einschalten: Der Taster S1 betätigt das Schütz K1, der Selbsthaltekontakt K1 schließt. Der Motor ist in der niedrigen Drehzahl eingeschaltet. Umschalten: Bei Betätigen des Tasters S2 erhält das Schütz K1 über den Öffner des Tasters S2 Aus-Befehl und Schütz K2 über den Schließer des Tasters S2 Ein-Befehl. Der Ein-Befehl für das Schütz K2 wird erst wirksam, wenn der Öffner des Schützes K1 geschlossen ist. Der Selbsthaltekontakt K2 schließt. Durch einen Schließer von K2 wird das Netzschütz K3 eingeschaltet. Der Motor ist in der hohen Drehzahl eingeschaltet. Das Umschalten in die niedrige Drehzahl geschieht in umgekehrter Reihenfolge. Ausschalten: Durch Betätigen des Tasters SO öffnet die Schütze K1 bzw. K2 und K3. Der Motor wird ausgeschaltet.

c) Hilfsstromkreis bei Dauerkontaktgabe

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütze K1, K3 mit je 1Ö, Schütz K2 mit 1S+1Ö, Befehlsgeber S1 mit 3 Schaltstellungen, Überlastrelais F3, F4 mit je 1Ö Dauerkontaktgabe c) Der Befehlsgeber S1 schaltet laut Schaltstellungsanzeige die Schütze K1 bzw. K2 und K3 ein, um oder aus; wie unter Tasterbetätigung.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – 11

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung

Hinweis: Bemerkung zum Hauptstromkreis: Die Sicherungen F1 und F2 sind entsprechend den Motor-Bemessungsströmen der beiden Drehzahlen auszuwählen. Unterscheiden sich die beiden Motorbemessungsströme nur wenig voneinander und können die Überlastrelais F3 und F4 mit gleichen Einstellbereichen verwendet werden, so ist eine gemeinsame Absicherung der Motorschütze K1 und K3 zulässig.

Stromlaufpläne für einen polumschaltbaren DrehstromAsynchronmotor mit einer Wicklung (Dahlander-Schaltung) für zwei Drehzahlen und zwei Drehrichtungen.

a) Hauptstromkreis

8 – 12

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung b) Hilfsstromkreis bei Tasterbetätigung

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütze K1, K2, K3, K4 mit je 1S+2Ö, Schütz K5 mit 2S+1Ö, Taster S0 mit 1Ö, Taster S1, S2 mit je 1S+2Ö, Taster S3, S4 mit je 2S+2Ö, Überlastrelais F3 und F4 mit je 1Ö Tasterbetätigung b) Einschalten z. B. für Rechtslauf des Motors: Der Taster S1 betätigt das Schütz K1, der Selbsthaltekontakt K1 schließt. Der Motor ist in der niedrigen Drehzahl eingeschaltet. Umschalten auf die hohe Drehzahl: Bei Betätigen des Taster S3 erhält das Schütz K1 über den Öffner von S3 Aus-Befehl und das Sternschütz K5 und Schütz K3 über die Schließer von S3 EinBefehl. Der Ein-Befehl für das Schütz K5 wird erst wirksam, wenn der Öffner des Schützes K1 geschlossen ist. Der Ein-Befehl für Schütz K3 wird erst wirksam, wenn der Schließer des Schützes K5 geschlossen ist. Die Selbsthaltekontakte der Schütze K5 und K3 schließen. Der Motor ist in der hohen Drehzahl eingeschaltet. Umschalten in die niedrige Drehzahl: Dies geschieht in umgekehrter Reihenfolge. Umschalten auf Linkslauf (hohe Drehzahl): Bei Betätigen des Tasters S4 wird durch den Öffner S4 das Schütz K3 ausgeschaltet, das Schütz K4 erhält über Schließer S4 Ein-Befehl. Dieser wird erst wirksam, wenn der Öffner von Schütz K3 geschlossen ist. Der Motor ist im Linkslauf in der hohen Drehzahl eingeschaltet. Umschalten auf Linkslauf (niedrige Drehzahl): Das Umschalten bei niedriger Drehzahl geschieht sinngemäß wie bei hoher Drehzahl durch Betätigen des Tasters S2. Ausschalten: Durch Betätigen von Taster SO werden die jeweils eingeschalteten Schütze und damit der Motor ausgeschaltet.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – 13

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung c) Hilfsstromkreis bei Dauerkontaktgabe

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütze K1, K2, K3, K4 mit je 2Ö, Schütz K5 mit 1S+1Ö, Befehlsgeber S1 mit 5 Schaltstellungen, Überlastrelais F3 und F4 mit je 1Ö Dauerkontaktgabe c) Durch Wahl der Schaltstellung des Befehlsgebers S1 wird das Schütz K1 oder das Schütz K2 für die niedrige Drehzahl im Rechts- oder Linkslauf eingeschaltet. Der Ein-Befehl ist nur wirksam, wenn die Öffner des Schützes K2 bzw. K1 geschlossen sind. Bei Umschalten auf die hohe Drehzahl im Links- oder Rechtslauf werden das Sternschütz K5 und das Schütz K3 oder K4 über den Schließer von K5 eingeschaltet. Der Ein-Befehl für das Sternschütz K5 wird erst wirksam, wenn die Öffner der Schütze K1 und K2 wieder geschlossen sind.

Stromlaufpläne für einen polumschaltbaren Drehstrom-Asynchronmotor mit zwei getrennten Wicklungen, zwei Drehzahlen und einer Drehrichtung.

a) Hauptstromkreis

8 – 14

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung b) Hilfsstromkreis bei Tasterbetätigung Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütze K1, K2 mit je 1S+1Ö, Taster S0 mit 1Ö, Taster S1, S2 mit je 1S+1Ö, Überlastrelais F3 und F4 mit je 1Ö

c) Hilfsstromkreis bei Dauerkontaktgabe Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütze K1, K2 mit je 1Ö, Befehlsgeber S1 mit 3 Schaltstellungen, Überlastrelais F3 und F4 mit je 1Ö Tasterbetätigung b) Einschalten: Der Taster S1 betätigt das Schütz K1, der Selbsthaltekontakt K1 schließt. Der Motor läuft z. B. in der niedrigen Drehzahl an. Umschalten: Bei Betätigen des Tasters S2 erhält das Schütz K1 über den Öffner des Tasters S2 AusBefehl und das Schütz K2 über den Schließer des Tasters S2 Ein-Befehl. Der Ein-Befehl für das Schütz K2 wird erst wirksam, wenn der Öffner des Schützes K1 geschlossen ist. Der Motor läuft in der hohen Drehzahl. Ausschalten: Durch Betätigen von Taster SO öffnet das Schütz K1 oder K2. Der Motor wird ausgeschaltet. Dauerkontaktgabe c) Der Befehlsgeber S1 schaltet das Schütz K1 oder K2 ein, aus oder um (wie unter Tasterbetätigung).

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – 15

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Stromlaufpläne für einen polumschaltbaren DrehstromAsynchronmotor mit zwei getrennten Wicklungen, zwei Drehzahlen und zwei Drehrichtungen. a) Hauptstromkreis

b) Hilfsstromkreis bei Tasterbetätigung Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütze K1, K2, K3, K4 mit je 1S+2Ö, Taster S1, S2, S3, S4 mit je 1S+2Ö, Taster S0 mit 1Ö, Überlastrelais F3 und F4 mit je 1Ö

c) Hilfsstromkreis bei Dauerkontaktgabe Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütze K1, K2, K3, K4 mit je 2Ö, Befehlsgeber S1 mit 5 Schaltstellungen, Überlastrelais F3 und F4 mit je 1Ö

8 – 16

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Tasterbetätigung b) Einschalten z. B. Rechtslauf des Motors: Der Taster S1 betätigt das Schütz K1, der Selbsthaltekontakt K1 schließt. Der Motor läuft z. B. in der niedrigen Drehzahl an. Umschalten von niedriger auf hohe Drehzahl: Bei Betätigen des Tasters S2 erhält das Schütz K1 über den Öffner des Tasters S2 Aus-Befehl und der Schütz K2 über den Schließer des Tasters S2 Ein-Befehl. Der Ein-Befehl für das Schütz K2 wird erst wirksam, wenn der Öffner des Schützes K1 geschlossen ist. Der Selbsthaltekontakt K2 schließt. Der Motor läuft in der hohen Drehzahl. Umschalten von Rechtslauf auf Linkslauf, z. B. bei niedriger Drehzahl: Bei Betätigen des Tasters S3 erhält das Schütz K1 über den Öffner von S3 Aus-Befehl und das Schütz K3 über den Schließer S3 Ein-Befehl. Der Ein-Befehl für das Schütz K3 wird erst wirksam, wenn der Öffner des Schützes K1 geschlossen ist. Der Selbsthaltekontakt K3 schließt. Der Motor wird abgebremst und läuft links an. Umschalten von Rechts- und Linkslauf des Motors und gleichzeitiges Umschalten von der niedrigen auf die hohe Drehzahl geschieht sinngemäß durch Betätigen des Tasters S4. Ausschalten: Durch Betätigen des Tasters SO öffnet das jeweils eingeschaltete Schütz und der Motor wird ausgeschaltet. Dauerkontaktgabe c) Der Befehlsgeber S1 schaltet die Schütze K1, K2, K3 oder K4 ein, um oder aus, wie bei Tasterbetätigung.

Die Stromlaufpläne für einen polumschaltbaren DrehstromAsynchronmotor mit zwei getrennten Wicklungen, drei Drehzahlen, einer Drehrichtung, eine Wicklung in Dahlanderschaltung, eine getrennte Wicklung für die niedrige Drehzahl

a) Hauptstromkreis

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – 17

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung b) Hilfsstromkreis bei Tasterbetätigung

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütz K1 mit 1S+1Ö, Schütz K2 mit 1S+2Ö, Schütz K3 mit 2S+2Ö, Schütz K4 mit 2Ö, Taster S0 mit 1Ö, Taster S1 mit 1S+1Ö, Taster S2, S3 mit je 1S+2Ö, Überlastrelais F4, F5 und F6 mit je 1Ö c) Hilfsstromkreis bei Dauerkontaktgabe

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütz K1 mit 1Ö, Schütz K2, K4 mit je 2Ö, Schütz K3 mit 1S+2Ö, Befehlsgeber S1 mit 5 Schaltstellungen, Überlastrelais F4, F5 und F6 mit je 1Ö Tasterbetätigung b) Einschalten: Der Taster S1 betätigt das Schütz K1, der Selbsthaltekontakt K1 schließt. Der Motor läuft in der niedrigen Drehzahl an. Umschalten: Bei Betätigen des Tasters S2 erhält das Schütz K1 über den Öffner des Tasters S2 Aus-Befehl und das Schütz K2 über den Schließer des Tasters S2 Ein-Befehl. Der Ein-Befehl für das K2 wird erst wirksam, wenn der Öffner des Schützes K1 geschlossen ist. Der Selbsthaltekontakt K2 schließt. Der Motor läuft in der mittleren Drehzahl. Bei Betätigen des Tasters S3 wird das Schütz K3 eingeschaltet. Der Ein-Befehl für das Schütz K3 wird erst wirksam, wenn der Öffner von K2 geschlossen ist. Der Selbsthaltekontakt und der Schließer K3 schließen. Das Netzschütz K4 schaltet ein. Der Motor läuft in der hohen Drehzahl. Ausschalten: Durch Betätigen des Tasters SO erhalten die jeweils eingeschalteten Schütze Aus-Befehl. Dauerkontaktgabe c) Der Befehlsgeber S1 schaltet wie unter Tasterbetätigung die Schütze K1, K2, K3 und K4 ein, um oder aus.

8 – 18

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Stromlaufpläne für polumschaltbaren Drehstrom-Asynchronmotor mit zwei getrennten Wicklungen, drei Drehzahlen und einer Drehrichtung, eine Wicklung in Dahlander-Schaltung, eine getrennte Wicklung für die mittlere Drehzahl

a) Hauptstromkreis

b) Hilfsstromkreis bei Tasterbetätigung

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütz K1 mit 1S+1Ö, Schütz K2 mit 1S+2Ö, Schütz K3 mit 2S+2Ö, Schütz K4 mit 2Ö, Taster S0 mit 1Ö, Taster S1 mit 1S+1Ö, Taster S2, S3 mit je 1S+2Ö, Überlastrelais F4, F5 und F6 mit je 1Ö

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – 19

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung c) Hilfsstromkreis bei Dauerkontaktgabe

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütze K1, K2 mit je 2Ö, Schütze K3 mit 1S+1Ö, Schütze K4 mit 1Ö, Befehlsgeber S1 mit 4 Schaltstellungen, Überlastrelais F4, F5 und F6 mit je 1Ö Tasterbetätigung b) Einschalten: Der Taster S1 betätigt das Schütz K1, der Selbsthaltekontakt K1 schließt. Der Motor läuft in der niedrigen Drehzahl an. Umschalten: Bei Betätigen des Tasters S2 erhält das Schütz K1 über den Öffner des Tasters S2 Aus-Befehl und das Schütz K2 über den Schließer des Tasters S2 Ein-Befehl. Der Ein-Befehl für das Schütz K2 wird erst wirksam, wenn der Öffner des Schützes K1 geschlossen ist. Der Selbsthaltekontakt K2 schließt. Der Motor läuft in der mittleren Drehzahl. Bei Betätigen von Taster S3 wird das Schütz K3 eingeschaltet. Der Ein-Befehl für das Schütz K3 wird erst wirksam, wenn der Öffner von K2 geschlossen ist. Der Selbsthaltekontakt K3 und der Schließer K3 schließen. Das Netzschütz K4 schaltet ein. Der Motor läuft in der hohen Drehzahl. Ausschalten: Durch Betätigen des Tasters SO erhalten die zu dieser Zeit eingeschalteten Schütze Aus-Befehl. Dauerkontaktgabe c) Der Befehlsgeber S1 schaltet wie unter Tasterbetätigung die Schütze K1, K2, K3 und K4 ein, um oder aus.

8 – 20

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Stromlaufpläne für polumschaltbaren Drehstrom-Asynchronmotor mit zwei getrennten Wicklungen, drei Drehzahlen, einer Drehrichtung, eine Wicklung in Dahlander-Schaltung, eine getrennte Wicklung für die hohe Drehzahl

a) Hauptstromkreis

b) Hilfsstromkreis bei Tasterbetätigung

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütz K1 mit 1S+1Ö, Schütz K2 mit 2S+2Ö, Schütz K3 mit 1S+2Ö, Schütz K4 mit 2Ö, Taster S0 mit 1Ö, Taster S1 mit 1S+1Ö, Taster S3, S4 mit je 1S+2Ö, Überlastrelais F4, F5 und F6 mit je 1Ö

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – 21

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung c) Hilfsstromkreis bei Dauerkontaktgabe

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütze K1 mit 1Ö, Schütze K2 mit 1S+2Ö, Schütze K3, K4 mit je 2Ö, Befehlsgeber S1 mit 4 Schaltstellungen, Überlastrelais F4, F5 und F6 mit je 1Ö Tasterbetätigung b) Einschalten: Taster S1 betätigt das Schütz K1, der Selbsthaltekontakt K1 schließt. Der Motor läuft in der niedrigen Drehzahl an. Umschalten: Bei Betätigen des Tasters S3 erhält das Schütz K1 über den Öffner des Tasters S3 Aus-Befehl und das Schütz K2 über den Schließer des Tasters S3 Ein-Befehl. Der Ein-Befehl für das Schütz K2 wird erst wirksam, wenn der Öffner des Schützes K1 geschlossen ist. Der Selbsthaltekontakt und der Schließer K2 schließen. Das Netzschütz K4 schaltet ein. Der Motor läuft in der mittleren Drehzahl. Bei Betätigen des Tasters S4 wird das Schütz K3 eingeschaltet, bezüglich der Verriegelung gilt für das für Schütz K2 Gesagte. Der Motor läuft in der hohen Drehzahl. Ausschalten: Durch Betätigen von Taster SO erhalten die zu dieser Zeit eingeschalteten Schütze Aus-Befehl. Dauerkontaktgabe c) Der Befehlsgeber S1 schaltet wie unter Tasterbetätigung die Schütze K1, K2, K3 und K4 ein, um oder aus.

8 – 22

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Stromlaufpläne für polumschaltbaren Drehstrom-Asynchronmotor mit zwei getrennten Wicklungen, drei Drehzahlen, zwei Drehrichtungen, eine Wicklung in Dahlander-Schaltung, eine getrennte Wicklung für die niedrige Drehzahl

a) Hauptstromkreis

b) Hilfsstromkreis bei Tasterbetätigung Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütze K1, K2 mit je 2S+1Ö, Schütz K3 mit 1S+1Ö, Schütze K4, K5, K6 mit je 1S+2Ö, Hilfsschütze K14, K16, K24, K26 mit je 2S+3Ö,

Taster S0 mit 1Ö, Taster S13, S23 mit je 2S+2Ö, Taster S14, S16, S24, S26 mit je 1S, Überlastrelais F2, F3 und F4 mit je 1Ö

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – 23

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung c) Hilfsstromkreis bei Dauerkontaktgabe

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütze K1, K2, K5 mit je 1S+1Ö, Schütze K3, K4 mit je 2Ö, Schütze K6 mit 1Ö, Befehlsgeber S1 mit 7 Schaltstellungen, Überlastrelais F2, F3 und F4 mit je 1Ö Tasterbetätigung b) Einschalten z. B. niedrige Drehzahl, Rechtslauf des Motors: Der Taster S13 betätigt die Schütze K1 und K3. Der Ein-Befehl für K3 wird erst wirksam, wenn der Schließer von K1 geschlossen ist. Die Selbsthaltekontakte K1 und K3 schließen. Der Motor läuft in der niedrigen Drehzahl rechts an. Umschalten z. B. auf die mittlere Drehzahl, Linkslauf des Motors: Der Taster S24 betätigt das Hilfsschütz K24. Der Öffner K24 gibt Aus-Befehl für Schütze K1 und K3. Der Schließer K24 gibt Ein-Befehl für K2 und K4. Der Ein-Befehl für K2 wird erst wirksam, wenn der Öffner von K1 geschlossen ist, und für K4, wenn der Schließer von K2 geschlossen ist. Der Motor läuft bei der mittleren Drehzahl im Linkslauf. Weiteres Ein- und Umschalten siehe Tabelle (Tasterbetätigung und Schaltbefehle für die Schütze für einen polumschaltbaren Drehstrom-Asynchronmotor für drei Drehzahlen und zwei Drehrichtungen). Ausschalten: Durch Betätigen des Tasters SO werden alle jeweils eingeschalteten Schütze ausgeschaltet und damit der Motor abgeschaltet. Dauerkontaktgabe c) Der Befehlsgeber S1 schaltet die Schütze wie unter Tasterbetätigung ein, um, für Rechts- und Linkslauf oder aus. Motoranlauf

Betätigung Ein-Befehl Aus-Befehl des Tasters für Schütze für Schütze

Rechtslauf

Tasterbetätigung und Schaltbefehle für die Schütze für einen polumschaltbaren Drehstrom-Asynchronmotor für drei Drehzahlen und zwei Drehrichtungen. (Hilfsschütze zur Kontaktvervielfältigung in Klammern)

8 – 24

Niedrige Drehzahl S13

K1, K3

Mittlere Drehzahl

K1, K4

Hohe Drehzahl

S14 (K14) S16 (K16)

K1,K5, K6

K2, K4, K5, K6 K2, K3, K5, K6 K2, K3, K4

Linkslauf Niedrige Drehzahl S23

K2, K3

Mittlere Drehzahl

K2, K4

Hohe Drehzahl

S24 (K24) S26 (K26)

K2, K5, K6

K1, K4, K5, K6 K1, K3, K5, K6 K1, K3, K4

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Stromlaufpläne für einen polumschaltbaren DrehstromAsynchronmotor mit zwei getrennten Wicklungen, vier Drehzahlen, einer Drehrichtung, beide Wicklungen in Dahlander-Schaltungen

a) Hauptstromkreis

b) Hilfsstromkreis bei Tasterbetätigung

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütze K1, K2 mit je 1S+2Ö, Schütze K3, K5 mit je 2S+2Ö, Schütze K4, K6 mit je 2Ö, Taster S0 mit 1Ö, Taster S1, S2, S4, S6 mit je 1S+2Ö, Überlastrelais F5, F6, F7 und F8 mit je 1Ö

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – 25

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung c) Hilfsstromkreis bei Dauerkontaktgabe

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütze K1, K2, K4, K6 mit je 2Ö, Schütze K3, K5 mit je 1S+2Ö, Befehlsgeber S1 mit 5 Schaltstellungen, Überlastrelais F5, F6, F7 und F8 mit je 1Ö Tasterbetätigung b) Einschalten: Taster S1 betätigt Schütz K1, der Selbsthaltekontakt K1 schließt. Der Motor läuft in der Drehzahl 1 an. Umschalten: Bei Betätigen des Tasters S2 erhält das Schütz K1 über den Öffner des Tasters S2 Aus-Befehl und das Schütz K2 über den Schließer des Tasters S2 Ein-Befehl. Der Ein-Befehl für Schütz K2 wird erst wirksam, wenn der Öffner des Schützes K1 geschlossen ist, der Selbsthaltekontakt K2 schließt. Der Motor läuft in der Drehzahl 2. Bei Betätigung von Taster S4 erhalten die Schütze K1 oder K2 über den Öffner von S4 AusBefehl und das Schütz K3 Ein-Befehl über den Schließer S4. Der Ein-Befehl wird erst wirksam, wenn die Öffner der Schütze K1, K2, K5 und K6 geschlossen sind. Der Selbsthaltekontakt K3 und der Schließer K3 schließen. Das Netzschütz K4 schaltet ein. Der Motor läuft in der Drehzahl 3. Bei Betätigen von Taster S6 werden die Schütze K5 und K6 eingeschaltet. Verriegelung wie beim Einschalten der Schütze K3 und K4. Der Motor läuft in der Drehzahl 4. Ausschalten: Durch Betätigen von Taster S0 erhalten die zu dieser Zeit eingeschalteten Schütze Aus-Befehl. Dauerkontaktgabe c) Befehlsgeber S1 schaltet wie unter Tasterbetätigung die Schütze K1 bis K6 ein, um oder aus.

8 – 26

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung

Anlassen von Drehstrom-Asynchronmotoren mit Stern-Dreieck-Schaltungen In diesem Abschnitt sind Schaltungsbeispiele für das Anlassen von Asynchronmotoren mit Schützen beschrieben.

Beachte: Beim Stern-Dreieck-Anlassen ist es erforderlich zwischen Netz- und Dreieck-Schütz einen Phasentausch vorzunehmen.

Hauptstromkreis für SternDreieck-Anlasser in der so genannten EuropaSchaltung.

Stromlaufpläne für das Stern-Dreieck-Anlassen von DrehstromAsynchronmotoren mit Sternschütz, Dreieckschütz und Netzschütz

TIPP: Um bei Stern-Dreieck-Startern für das Stern-Dreieck-Anlassen von Drehstrom-Asynchronmotoren Kurzschlüsse beim Umschalten von der Sternstufe in die Dreieckstufe zu vermeiden, ist ein Stern-DreieckZeitrelais mit Umschaltpause zu verwenden. Damit ist sichergestellt, dass der Lichtbogen beim Öffnen des Sternschützes gelöscht ist, bevor das Dreieckschütz schließt.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – 27

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Bemessung der Schütze für Anlaufzeiten bis 10 s: Das Netzschütz K1 ist für 58 % der Motorleistung, das Sternschütz K2 für 33 % der Motorleistung und das Dreieckschütz K3 für 58 % der Motorleistung zu bemessen. Bemessung der Schütze für Anlaufzeiten bis 60 s: Die Leistungsangaben der Schütze für Umschaltzeiten bis 60 s sind den aktuellen Siemens-Katalogen zu entnehmen.

a) Hauptstromkreise für SternDreieck-Anlasser bis 160 A. Gemeinsame Zuleitung von Netz- und Dreieckschütz sowie gemeinsame Absicherung.

b) Hauptstromkreise für SternDreieck-Anlasser bis 630 A. Getrennte Zuleitung von Netzund Dreieckschütz sowie gemeinsame Absicherung bis 630 A.

8 – 28

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung

c) Hauptstromkreise für SternDreieck-Anlasser bis 630 A. Getrennte Zuleitung von Netzund Dreieckschütz sowie getrennte Absicherung.

d) Hilfsstromkreis bei Tasterbetätigung für 3TE von 45 A bis 630 A mit Stern-DreieckZeitrelais. Tasterbetätigung Einschalten: Der Taster S1 betätigt das Zeitrelais K4 und das Sternschütz K2 über den verzögerten Schließer 17/18 des Stern-Dreieck-Zeitrelais K4. Die Selbsthalteschließer K1 und K2 schließen. Der Motor läuft in Sternstufe hoch. Umschalten: Nach Ablauf der eingestellten Verzögerungszeit öffnet der verzögerte Schließer K4, das Sternschütz K2 wird ausgeschaltet. Wenn der verzögerte Schließer K4 des SternDreieck-Zeitrelais nach 50 ms Umschaltpause schließt, wird das Dreieckschütz K3 über den Öffner von K2 eingeschaltet. Der Motor läuft in der Dreieckstufe. Ausschalten: Durch Betätigen von Taster S0 öffnet das Netzschütz K1; der Schließer von K1 öffnet sich. Das Dreieckschütz K3 und der Motor werden abgeschaltet. Die nicht erwähnten Schützkontakte dienen zur Verriegelung zwischen Stern- und Dreieckschütz.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – 29

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Stromlaufpläne für das Stern-Dreieck-Anlassen von DrehstromAsynchronmotoren mit unterbrechungsloser Umschaltung

Beachte: Beim normalen Stern-Dreieck-Anlassen ist beim Umschalten von der Stern- in die Dreieckstufe eine Umschaltpause von etwa 50 ms erforderlich. Bei einer kürzeren Umschaltpause kann über den noch nicht gelöschten Lichtbogen im Sternschütz ein Phasenkurzschluss auftreten. Während der Umschaltpause ist der Motor jedoch stromlos und fällt in der Drehzahl leicht ab. Beim Einschalten der Dreieckstufe können Netzphase und Motorfeld deshalb in Opposition zueinander stehen, was durch die dann ablaufenden Ausgleichsvorgänge zu einer hohen Umschaltstromspitze führt. Bei der geschlossenen Stern-Dreieck-Umschaltung wird der Motor nach Beendigung der Sternstufe ohne Umschaltpause über ein so genanntes Transitionsschütz und -widerstände in Dreieckschaltung ans Netz gebracht und nach etwa 50 ms ohne Pause in die normale Dreieckstufe umgeschaltet. Dadurch tritt am Motor keine stromlose Pause auf und die mögliche hohe Umschaltstromspitze des normalen Stern-Dreieck-Starters wird vermieden.

a) Hauptstromkreis

K1 Netzschütz K2 Sternschütz K3 Dreieckschütz K4 Transitionsschütz R1 Transitionswiderstände

8 – 30

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung b) Hilfsstromkreis bei Dauerkontaktgabe mit Stern-Dreieck-Zeitrelais. Erforderliche Hilfsschaltglieder: Befehlsgeber S1 mit 1S, Schütz K1 mit 1S, Schütz K2 mit 2S+2Ö, Schütz K3 mit 3Ö, Schütz K4 mit 1S+1Ö, Hilfsschütz K5 mit 1S+2Ö, Hilfsschütz K6 mit 2S+2Ö, Zeitrelais K7 mit 1S und 1S anzugsverzögert, Überlastrelais F1 mit 1Ö Dauerkontaktgabe b) Einschalten: Befehlsgeber S1 betätigt das Stern-Dreieck-Zeitrelais K7. Hierdurch werden das Hilfsschütz K5, das Sternschütz K2 und das Netzschütz K1 angesteuert. Der Motor läuft in der Sternstufe an. Umschalten: Nach Ablauf der eingestellten Hochlaufzeit schaltet das Transitionsschütz K4 die Motorwicklungen mit den Transitionswiderständen R1 im Dreieck und lässt das Stern-Schütz K2 abfallen. Anschließend wird über das Hilfsschütz K6 das Dreieckschütz K3 angesteuert, das die Stromführung übernimmt. Das Transitionsschütz K4 schaltet aus. Ausschalten: Durch den Befehlsschalter S1 wird die Steuerung abgeschaltet und der Motor vom Netz getrennt.

Bemessung der Schütze: Das Netzschütz K1 ist für 58 % des Bemessungsbetriebsstroms, das Dreieckschütz K3 für 58 % des Bemessungsbetriebsstroms, das Sternschütz K2 für 58 % des Bemessungsbetriebsstroms und das Transitionsschütz K4 für 26 % des Bemessungsbetriebsstroms auszulegen. 1,5 • Ie • √3 10

Das Zeitrelais K7 muss anzugsverzögert sein. Das Sternschütz K3 muss den Sternstrom des Motors und der Transitionswiderstände abschalten. Da in den Transitionswiderständen etwa der 1,5-fache Bemessungsbetriebsstrom fließt, ist eine höhere Schaltleistung PR1 erforderlich. Unterbrechungslose Stern-DreieckSchaltungen werden meist mit großer Schalthäufigkeit betrieben. Daher entspricht das gegenüber der “normalen” Stern-Dreieck-Schaltung größer dimensionierte Sternschütz diesen Anforderungen.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – 31

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Berechnung der Transitionswiderstände R1:

R1 =

Ue 1,5 • Ie • √3

PR1 =

PR1 =

Ue2 1200 • R1 Ue2 500 • R1

in W für max. 12 Schaltspiele/h

in W für max. 30 Schaltspiele/h

Stromlaufpläne für das Vier-Stufen-Stern-Dreieck-Anlassen von Drehstrom-Asynchronmotoren

TIPP: Die Vier-Stufen-Stern-Dreieck-Schaltung wird bei Antrieben mit hohen Gegenmoment verwendet, bei denen ein normaler Stern-Dreieck-Anlauf den Antrieb nicht auf ausreichende Umschaltdrehzahl beschleunigt.

a) Hauptstromkreis

Stufe 1: Schütze K3 und K5 Stufe 2: Schütze K3 und K1 Stufe 3: Schütze K4 und K2 Stufe 4: Schütze K4 und K3

8 – 32

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung b) Hilfsstromkreis bei Tasterbetätigung und Zeitrelais für Zeitverzögerung (VierStufen-Stern-DreieckAnlauf) Erforderliche Hilfsschaltglieder: Taster S0 mit 1Ö, Taster S1 mit 1S, Schütz K1 mit 1S+1Ö, Schütz K2 mit 1S+1Ö, Schütz K3 mit 2S+1Ö, Schütz K4 mit 2S+2Ö, Schütz K5 mit 1Ö, Zeitrelais K6 mit 1W, Zeitrelais K7 mit 1W+1S, beide verzögert, Zeitrelais K8 mit 1W verzögert, Zeitrelais K9 mit 1S verzögert + 1Ö Tasterbetätigung Einschalten Stufe I: Der Taster S1 erregt bei Betätigung die Schützspule K3. Dieses Schütz geht in Selbsthaltung und schaltet mit einem Schließer das Schütz K5 und das Zeitrelais K6 ein. Der Motor wird in der ersten Anlassstufe an das Netz gelegt. Umschalten Stufe II: Der einschaltverzögerte Wechsler des Zeitrelais K6 schaltet nach Ablauf seiner Verzögerungszeit das Schütz K5 aus und K1 ein. Der Motor wird in die zweite Anlass-stufe geschaltet. Umschalten Stufe III: Zugleich wird das Zeitrelais K7 erregt dessen Wechsler nach Ablauf der Verzögerunszeit K9 erregt. Das Schütz K3 wird abgeschaltet und K2 eingeschaltet. Das Schütz K2 schaltet K4 und das Zeitrelais K8 ein. Der Motor wird in die dritte Anlassstufe geschaltet. Umschalten Stufe IV: Der Wechsler von K8 schaltet nach Ablauf der Verzögerungszeit K2 aus und K3 ein. Der Antrieb wird nun in der Dreieckstufe auf seine Nenndrehzahl beschleunigt. Ausschalten: Durch Betätigen des Tasters S0 wird die Steuerung ausgeschaltet. Die Schütze werden nach den jeweiligen Strömen und Anlaufzeiten ausgewählt. Aufgrund der unterschiedlichen Anlaufströme des Motors in den einzelnen Stufen empfiehlt sich die Verwendung eines Thermistor-Motorschutzes.

Momenten- und Stromverlauf während des Vier-Stufen-SternDreieck-Anlaufs

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – 33

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung

Anzugsmoment M/Mn∆ Anzugsstrom Ian/In∆

ο,30 ο,30

0,41 0,41

0,61 0,61

1,0 1,0

Schaltschema der Wicklungsunterteilung für Drehstrom-Asynchronmotoren in spezieller Stern-Dreieck-Schaltung, wobei die Wicklung innerhalb der Maschine geschaltet ist. Umwandlung der Sternschaltung (Stufe I) über die Zwischenstufe II und III zur Dreieckschaltung (Stufe IV).

Stromlaufpläne für das Stern-Dreieck-Anlassen von Drehstrom-Asynchronmotoren in zwei Drehrichtungen mit Stern-Dreieck-Zeitrelais mit Umschaltpause

a) Hauptstromkreis

8 – 34

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung b) Hilfsstromkreis bei Tasterbetätigung

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütz K1 mit 2S+2Ö, Schütz K2 mit 2S+2Ö, Schütz K3 mit 1Ö, Schütz K4 mit 2S+1Ö, Zeitrelais K5 mit 1S unverz. + 1S verzögert, Taster S0 mit 1Ö, Taster S1, S2 mit je 1S+1Ö

c) Hilfsstromkreis bei Dauerkontaktgabe

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütz K1 mit 1S+2Ö, Schütz K2 mit 1S+2Ö, Schütz K3 mit 1Ö, Schütz K4 mit 1S+1Ö, Zeitrelais K5 mit 1S unverz. + 1S verzögert, Befehlsgeber S1 mit 3 Schaltstellungen

Bemessung der Schütze: Die Netzschütze K1 und K2 sind für 100 % der Motorleistung, das Sternschütz K4 für 33 % der Motorleistung und das Dreieckschütz K3 für 58 % der Motorleistung auszulegen.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – 35

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Tasterbetätigung b) Einschalten (Rechtslauf des Motors): Der Taster S1 betätigt Stern-Dreieck-Zeitrelais K5, dieses über den unverzögerten Schließer K5 das Sternschütz K4. Der Schließer K4 betätigt das Netzschütz K1, die Selbsthaltekontakte K1 und K4 schließen. Die Öffner von S1 und K1 verhindern, dass das Netzschütz K2 für Linkslauf eingeschaltet werden kann. Der Motor läuft in der Sternstufe im Rechtslauf hoch. Umschalten in die Dreieckstufe: Nach Ablauf der eingestellten Verzögerungszeit t1 öffnet der unverzögerte Schließer von K5, das Sternschütz K4 wird ausgeschaltet. Der Öffner von Sternschütz K4 schließt. Dann schließt nach Ablauf der Umschaltpause t2 von etwa 50 ms der verzögerte Schließer von K5 und das Dreieckschütz K3 wird eingeschaltet, weil der Schließer vom Netzschütz K1 bereits geschlossen ist. Der Motor läuft in der Dreieckstufe. Einschalten (Linkslauf des Motors): Der Taster S2 betätigt das Stern-Dreieck-Zeitrelais K5, dieses über den Schließer K5 das Sternschütz K4. Der Schließer K4 betätigt das Netzschütz K2, die Selbsthaltekontakte K2 und K4 schließen. Die Öffner von S2 und K2 verhindern, dass das Netzschütz K1 für Rechtslauf eingeschaltet werden kann. Der Motor läuft in der Sternstufe hoch. Umschalten in die Dreieckstufe: wie bei Rechtslauf des Motors. Ausschalten: Durch Betätigen des Tasters SO fällt das Netzschütz K1 bzw. K2 ab. Durch den geöffneten Schließer von K1 bzw. K2 werden das Dreieckschütz K3 und der Motor abgeschaltet. Die nicht erwähnten Schützkontakte dienen zur Verriegelung zwischen Stern- und Dreieckschütz. Dauerkontaktgabe c) Der Befehlsgeber S1 schaltet über die Schütze den Motor wie unter Tasterbetätigung für Rechts- oder Linkslauf ein und aus.

Stromlaufpläne für das Stern-Dreieck-Anlassen von DrehstromAsynchronmotoren mit Blindstromkompensation, Kondensator unabhängig von der Motorwicklung, wobei ein Stern-Dreieck-Zeitrelais mit Umschaltpause verwendet wird

a) Hauptstromkreis

8 – 36

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung b) Hilfsstromkreis bei Tasterbetätigung

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütz K1 mit 2S, Schütz K2 mit 2S+1Ö, Schütz K3 mit 1Ö, Taster S0 mit 1Ö, Taster S1 mit 1S, Zeitrelais K5 mit 1S unverz. + 1S verzögert K5: Die Schaltkontakte 17/18 und 27/28 sind nicht mechanisch gekoppelt. c) Hilfsstromkreis bei Dauerkontaktgabe

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütz K1 mit 1S, Schütz K2 mit 1S+1Ö, Schütz K3 mit 1Ö, Befehlsgeber S1 mit 1S, Zeitrelais K5 mit 1S unverz. + 1S verzögert K5: Die Schaltkontakte 17/18 und 27/28 sind nicht mechanisch gekoppelt. Tasterbetätigung b) Einschalten: Der Taster S1 betätigt das Stern-Dreieck-Zeitrelais K5, dieses über den unverzögerten Schließer K5 das Sternschütz K2. Der Schließer K2 betätigt das Netzschütz K1 und das Kompensationsschütz K4; die Selbsthaltekontakte K2 und K1 schließen. Der Motor läuft in der Sternstufe hoch. Umschalten: Nach Ablauf der eingestellten Verzögerungszeit t1 öffnet der unverzögerte Schließer von K5; das Sternschütz K2 wird ausgeschaltet. Der Öffner des Sternschützes K2 schließt. Dann schließt nach Ablauf der Umschaltpause t2 von etwa 50 ms der verzögerte Schließer von K5 und das Dreieckschütz K3 wird eingeschaltet, weil der Schließer vom Netzschütz K1 bereits geschlossen ist. Der Motor läuft in der Dreieckstufe. Ausschalten: Durch Betätigen des Tasters SO öffnet das Netzschütz K1, der Schließer von K1 öffnet, das Dreieckschütz K3 und der Motor werden abgeschaltet. Das Kompensationsschütz K4 schaltet aus. Die nicht erwähnten Schützkontakte dienen zur Verriegelung zwischen Stern- und Dreieckschütz. Dauerkontaktgabe c) Der Befehlsgeber S1 schaltet die Schütze wie unter Tasterbetätigung ein und aus.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – 37

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Stromlaufpläne für das selbsttätige Anlassen von DrehstromAsynchronmotoren mit Käfigläufer in Kurzschluss-Sanftanlauf(KUSA-)Schaltung mit Zeitrelais

a) Hauptstromkreis

b) Hilfsstromkreis bei Tasterbetätigung

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütz K1 mit 2S, Schütz K2 mit 1S+1Ö, Zeitrelais K3 mit 1S verzögert, Taster S0 mit 1Ö, Taster S1 mit 1S, Überlastrelais F2 mit 1Ö

8 – 38

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung c) Hilfsstromkreis bei Dauerkontaktgabe

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütz K1 mit 1S, Schütz K2 mit 1S+1Ö, Zeitrelais K3 mit 1S verzögert, Befehlsgeber S1 mit 1S, Überlastrelais F2 mit 1Ö Tasterbetätigung b) Einschalten: Der Taster S1 betätigt das Schütz Kl. Der Selbsthaltekontakt K1 schließt. Der Schließer von K1 betätigt Zeitrelais K3. Der Motor läuft mit vermindertem Drehmoment an. Nach Ablauf der eingestellten Zeit schaltet der Schließer von Zeitrelais K3 das Schütz K2 ein. Der Selbsthaltekontakt K2 schließt, der Öffner von Schütz K2 schaltet das Zeitrelais K3 ab. Der Schließer K2 im Hauptstromkreis schließt und überbrückt den Widerstand R1. Der Motor läuft mit Nennmoment. Ausschalten: Durch Betätigen des Tasters S0 öffnen die Schütze K1 und K2. Der Motor wird ausgeschaltet. Dauerkontaktgabe c) Der Befehlsgeber S schaltet den Motor wie unter Tasterbetätigung ein und aus.

Bemessung der Schütze: Das Schütz K1 ist auf 100 % der Motorleistung zu bemessen. Das Schütz K2 kann für die Gebrauchskategorie AC-1 ausgelegt werden. Soll ein KUSA-Vorwiderstand für ein bestimmtes Anzugsmoment MKu berechnet werden, so ist zunächst die Kenntnis der Größe des Anzugsmoments Man und des Anzugsstroms Ian des betreffenden Motors im Normalbetrieb erforderlich.

Aus dem Diagramm kann das Verhältnis α zur Ermittlung des KUSAVorwiderstands entnommen werden.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – 39

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Mit dem Verhältnis K=MKu/Man kann aus dem Diagramm der Wert für ρ abgelesen werden. Zu dem Verhältnis K=MKu/Man gehört ein bestimmtes Verhältnis α=IKu/Ia‚ damit wird IKu = α • Ian. Ian IKu Man MKu

Anzugsstrom Anzugsstrom mit KUSA-Widerstand Anzugsmoment Anzugsmoment mit KUSA-Widerstand

Stromlaufpläne für das selbsttätige Anlassen von Drehstrom-Asynchronmotoren mit Käfigläufer über dreisträngige Widerstände mit Zeitrelais

a) Hauptstromkreis

8 – 40

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung b) Hilfsstromkreis bei Tasterbetätigung

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütz K1 mit 2S, Schütz K2 mit 1S+1Ö, Zeitrelais K3 mit 1S verzögert, Taster S1 mit 1Ö, Taster S1 mit 1S, Überlastrelais F2 mit 1Ö

c) Hilfsstromkreis bei Dauerkontaktgabe

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütz K1 mit 1S, Schütz K2 mit 1S + 1Ö, Zeitrelais K3 mit 1S verzögert, Befehlsgeber S1 mit 1S, Überlastrelais F2 mit 1Ö Tasterbetätigung b) Einschalten: Der Taster S1 betätigt das Schütz K1. Der Selbsthaltekontakt K1 schließt. Der Schließer von K1 betätigt das Zeitrelais K3. Der Motor läuft mit vermindertem Drehmoment an. Nach Ablauf der eingestellten Zeit schaltet der Schließer des Zeitrelais K3 das Schütz K2 ein. Der Selbsthaltekontakt K2 schließt, der Öffner von Schütz K2 schaltet das Zeitrelais K3 ab. Das Schütz K2 im Hauptstromkreis schließt und überbrückt den Widerstand R1. Der Motor läuft mit dem Bemessungsmoment. Ausschalten: Durch Betätigen des Tasters S0 öffnen die Schütze K1 und K2. Der Motor wird ausgeschaltet. Dauerkontaktgabe c) Der Befehlsgeber S1 schaltet den Motor wie unter Tasterbetätigung ein und aus.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – 41

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Bemessung der Schütze: Das Schütz K1 ist für 100 % der Motorleistung zu bemessen. Das Schütz K2 kann für die Gebrauchskategorie AC-1 ausgelegt werden. Bei Parallelschaltung von drei Strombahnen kann der zulässige Bemessungsbetriebsstrom um den Faktor 2,4 erhöht werden. Zur Berechnung des KUSA-Vorwiderstands für ein bestimmtes Anzugsmoment MRV ist zunächst die Kenntnis der Größe des Anzugsmoments Man und des Anzugsstroms Ian des betreffenden Motors im Normalbetrieb erforderlich. Zu dem Verhältnis K=MRV/Man gehört ein bestimmtes Verhältnis α=IRV/Ian, damit wird IRV = α • Ia. Ian IRV Man MRV

Anzugsstrom Anzugsstrom mit Vorwiderstand (R 1) Anzugsmoment Anzugsmoment mit Vorwiderstand (R 1)

Das Verhältnis α kann dem entsprechenden Diagramm entnommen werden.

Diagramm zur Bestimmung eines dreisträngigen Vorwiderstands.

8 – 42

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Die Stromlaufpläne für das selbsttätige Anlassen von Drehstrom-Asynchronmotoren mit Schleifringläufer, Widerstandsstufen im Läuferkreis. In dieser Schaltung mit vier Stufen sind vier Zeitrelais eingesetzt.

a) Hauptstromkreis

b) Hilfsstromkreis mit vier Zeitrelais für Tasterbetätigung Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütze K1 mit 1S, Schütze K11, K12, K13 mit je 2S+2Ö, Schütz K14 mit 1S+2Ö, Zeitrelais K2, K3, K4, K5 mit je 1S verzögert

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

Taster S0 mit 1Ö, Taster S1 mit 1S,

8 – 43

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung

c) Hilfsstromkreis mit vier Zeitrelais für Dauerkontaktgabe Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütz K1 mit 1S, Schütze K11, K12, K13 mit je 2S+2Ö, Schütz K14 mit 1S+2Ö, Befehlsgeber S1 mit 1S, Zeitrelais K2, K3, K4, K5 mit je 1S verzögert

Tasterbetätigung b) Einschalten und Anlassen: Taster S1 betätigt das Schütz K1. Der Selbsthaltekontakt K1 schließt, das Zeitrelais K2 wird angesteuert. Der Motor läuft mit vollem Läuferwiderstand R1 an. Nach Ablauf der eingestellten Zeit schaltet der Schließer des Zeitrelais K2 das Läuferschütz K11 ein. Der Öffner des Läuferschützes K11 schaltet das Zeitrelais K2 aus, der Selbsthaltekontakt K11 schließt. Der Schließer des Läuferschütz K11 steuert das Zeitrelais K3 an. Der Motor läuft mit eingeschaltetem Läuferwiderstand R2. Nach Ablauf der eingestellten Zeit schaltet der Schließer des Zeitrelais K3 das Läuferschütz K12 ein, der Öffner des Läuferschützes K12 schaltet das Läuferschütz K11 und das Zeitrelais K3 aus, der Selbsthaltekontakt K12 schließt. Der Schließer vom Läuferschütz K12 steuert das Zeitrelais K4 an. Der Motor läuft mit eingeschaltetem Läuferwiderstand R3 usw. bis das Läuferschütz K14 eingeschaltet ist und der Motor mit Nennmoment läuft. Ausschalten: Durch Betätigen des Tasters SO öffnen das Ständerschütz K1 und das Läuferschütz K14. Der Motor wird ausgeschaltet. Dauerkontaktgabe c) Der Befehlsgeber S1 betätigt die Schütze und Zeitrelais wie unter Tasterbetätigung.

Stromlaufplan für geschlossenes Umschalten von Anlasstransformatoren mit drei Wicklungen (Korndörfer-Schaltung)

TIPP: Anlasstransformatoren mit Schützen eignen sich zum automatischen Anlassen von Motoren im Leerlauf oder bei nur geringer Motorbelastung, wenn die Netzverhältnisse wegen eines zu hohen Anzugsstroms ein direktes Einschalten nicht zulassen.

8 – 44

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung

a) Hauptstromkreis

b) Hilfsstromkreis bei Tasterbetätigung

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütz K1 mit 1S+1Ö, Schütz K2 mit 1S, Schütz K3 mit 1Ö, Hilfsschütz K5 mit 2S, Zeitrelais K4 mit 1S unverzögert + 1S verzögert, Taster S0 mit 1Ö, Taster S1 mit 1S Tasterbetätigung b) Einschalten: Der Taster S1 schaltet das Steuerschütz K5 und das Zeitrelais K4 ein. Das Sternschütz K1 wird angesteuert und schaltet über seinen Hilfsschalter das Transformatorschütz K2 ein. Der Motor läuft mit reduzierter Spannung und kleinem Strom an. Das Drehmoment des Motors ist quadratisch von der Spannung abhängig (M ~ U2). Für eine gute Anpassung des Motordrehmoments an die Anlaufbedingungen haben die Anlasstransformatoren meist in jeder Phase drei wählbare Anzapfungen. Umschalten: Nach erfolgtem Hochlauf bei reduzierter Spannung wird das TransformatorSternschütz K1 geöffnet. Die Transformator-Teilwicklung wirkt jetzt als Drossel. Der Motor liegt nun an der durch die Drosseln reduzierten Netzspannung. Die Motordrehzahl bleibt konstant. Über die Hilfsschaltglieder des abgefallenen Sternschützes wird das Motorschütz K3 angesteuert und der Motor an volle Netzspannung gelegt. Durch das Motorschütz K3 wird das Transformatorschütz K2 entregt. Die Umschaltung des Transformator- und Motor-schützes geschieht unterbrechungslos. Ausschalten: Durch Betätigen des Tasters SO öffnet das Hilfsschütz K5. Über das nun abfallende Schütz K1 wird der Motor ausgeschaltet.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – 45

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung

Schaltungen zum Motorschutz Stromlaufpläne für einen Thermistor-Motorschutz für einen polumschaltbaren Drehstrom-Asynchronmotor mit zwei getrennten Wicklungen und zwei Drehzahlen

a) Hauptstromkreis

Der Doppelpfeil ⇑ kennzeichnet einen von der Regeldarstellung abweichenden Betriebszustand des Schaltglieds nach DIN 40900, Teil 7. b) Hilfsstromkreis

8 – 46

T/R: Test/Reset-Taste

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung b) Hilfsstromkreis Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütze K1, K2 mit je 1S+1Ö, Befehlsgeber S3 mit 1S, Taster S0 mit 1Ö,

Schließer bzw. Öffner betätigt dargestellt Taster S1, S2 mit je 1S+1Ö, Auslösegeräte (monostabil) F4, F5 mit je 1S+1Ö

Dauerkontaktgabe b) Einschalten: Über den Befehlsgeber S3 liegen die Erregerkreise der Auslösegeräte F4 und F5 für die getrennten Wicklungen an Spannung. Die Öffner 97-98 sind geöffnet und die Schließer 95-96 geschlossen. Der Taster S1 betätigt das Schütz K1, der Selbsthaltekontakt K1 schließt. Der Motor läuft z.B. in der niedrigen Drehzahl an. Bei Betätigen des Tasters S2 erhält das Schütz K1 über den Öffner des Tasters S2 Aus-Befehl und das Schütz K2 über den Schließer des Tasters S2 Ein-Befehl. Der Ein-Befehl für Schütz K2 wird erst wirksam, wenn der Öffner des Schützes K1 geschlossen ist. Der Selbsthaltekontakt K2 schließt. Der Motor läuft in der hohen Drehzahl. Ausschalten über B 1 oder B2: Wenn der Motor bei Betrieb z. B. in der niedrigen Drehzahl überlastet und die Bemessungsansprechtemperatur der Kaltleiter-Temperaturfühler B 1 erreicht wird, spricht das Auslösegerät F4 an. Der Schließer 95-96 öffnet und der Öffner 97-98 schließt. Das Schütz K1 und der Motor werden ausgeschaltet. Der Leuchtmelder H3 leuchtet auf. Bei Überlastung des Motors bei Betrieb in der hohen Drehzahl wird das Schütz K2 und damit der Motor sinngemäß über das Auslösegerät F5 ausgeschaltet. Der Leuchtmelder H4 leuchtet auf. Ausschalten von Hand: Durch Betätigen des Tasters S0 öffnet das Schütz K1 oder K2. Der Motor wird ausgeschaltet.

Stromlaufpläne für einen Thermistor-Motorschutz mit je drei Fühlern in zwei Fühlerkreisen und Auslösegerät für Warnung und Abschaltung eines Motors über einen Leistungsschalter mit stromabhängig verzögertem Überlastauslöser (a-Auslöser) und unverzögertem elektromagnetischen Kurzschlussauslöser (n-Auslöser)

a) Hauptstromkreis

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – 47

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung

Der Doppelpfeil ⇑ kennzeichnet einen von der Regeldarstellung abweichenden Betriebszustand des Schaltglieds nach DIN 40900, Teil 7.

b) Hilfsstromkreis

T/R: Test/Reset-Taste

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schutzschalter Q1 mit 1S, Befehlsgeber S2, S3 mit je 1S,

Schließer bzw. Öffner betätigt dargestellt Auslösegerät (monostabil) F3, F4 mit je 1S+1Ö, Unterspannungsauslöser F1

Dauerkontaktgabe b) Einschalten: Über den Befehlsgeber S2 liegen die Erregerkreise der Auslösegeräte F3 für Warnung und F4 für Abschaltung an Spannung. Die Öffner 97-98 öffnen und die Schließer 95-96 schließen. Der Unterspannungsauslöser F1 des Leistungsschalters Q1 liegt über den Befehlsgeber S3 an Spannung. Der Leistungsschalter Q l wird von Hand eingeschaltet. Der Motor ist eingeschaltet. Wenn der Motor überlastet wird und die Bemessungsansprechtemperatur der KaltleiterTemperaturfühler B 1 für Warnung erreicht ist, spricht das Auslösegerät F3 an. Der Öffner 97-98 von F3 schließt, der Leuchtmelder H3 für Warnung ist eingeschaltet. Ausschalten über B2: Erreicht der Motor bei weiterer Erwärmung die Bemessungsansprechtemperatur TNF der Kaltleiter-Temperaturfühler B2 für Abschaltung, so spricht das Auslösegerät F4 an, der Schließer 95-96 von F4 öffnet und der Unterspannungsauslöser F1 schaltet den Leistungsschalter Q1 und damit den Motor aus. Der Leuchtmelder H4 ist über den Öffner 97-98 von F4 eingeschaltet. Ausschalten von Hand: Dies geschieht über den Befehlsgeber S3.

Stromlaufpläne eines Thermistor-Motorschutzes für das Abschalten von sechs Drehstrom-Asynchronmotoren über Schütze

a) Hauptstromkreis (einpolige Darstellung)

8 – 48

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Stromlaufpläne für direktes Ein- und Ausschalten von Drehstrom-Asynchronmotoren mit Gegenstrombremsung

a) Hauptstromkreis

b) Hilfsstromkreise bei Tasterbetätigung

c) Hilfsstromkreise bei Dauerkontaktgabe

Tasterbetätigung b) Einschalten: Der Taster S1 betätigt das Schütz K1. Der Selbsthaltekontakt K1 schließt. Der Motor ist eingeschaltet. Der Kontakt des Drehzahlwächters F3 schaltet um. Ausschalten: Bei Betätigen des Aus-Drucktasters S0 wird durch den Öffner das Schütz K1 ausgeschaltet und durch den Schließer Schütz K2 eingeschaltet. Der EinBefehl für Schütz K2 wird erst wirksam, wenn der Öffner von K1 geschlossen ist. Der Selbsthaltekontakt K2 schließt. Der Motor wird durch Gegenstrom abgebremst. Bei einer niedrigen, eingestellten Drehzahl des Drehzahlwächters schaltet der Kontakt von F3 in seine Ausgangsstellung um, das Schütz K2 wird ausgeschaltet, die Gegenstrombremsung ist beendet.

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütze K1, K2 mit je 1S+1Ö, Taster S0 mit 1S+1Ö, Taster S1 mit 1S, Drehzahlwächter F3 mit 1W, Überlastrelais F2 mit 1Ö

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütze K1, K2 mit je 1Ö, Dauerkontaktgeber S1 mit 1S+1Ö, Drehzahlwächter F3 mit 1W, Überlastrelais F2 mit 1Ö

Dauerkontaktgabe c) Durch Schließen des Befehlsgebers S 1 wird das Schütz K1 betätigt. Durch Öffnen des Befehlsgebers wird der Bremsvorgang eingeleitet; sonst wie bei Tasterbetätigung.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – 49

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Die Stromlaufpläne für direktes Ein- und Ausschalten von Drehstrom-Asynchronmotoren mit Gegenstrombremsung

Beachte: Diese Schaltung mit Hilfsschütz wird erforderlich, wenn beim Einrichten des Antriebs gefahrvolles Selbsteinschalten von Hand verhindert werden soll. a) Hauptstromkreis

b) Hilfsstromkreise bei Tasterbetätigung Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütz K1 mit 2S+1Ö, Schütz K2 mit 1S+1Ö, Hilfsschütz K3 mit 2S, Taster S0 mit 1S+1Ö, Taster S1 mit 1S, Drehzahlwächter F3 mit 1W, Überlastrelais F2 mit 1Ö

c) Hilfsstromkreise bei Dauerkontaktgabe Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütz K1 mit 1S+1Ö, Schütz K2 mit 1Ö, Hilfsschütz K3 mit 2S, Dauerkontaktgeber S1 mit 1S+1Ö, Drehzahlwächter F3 mit 1W, Überlastrelais F2 mit 1Ö

8 – 50

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Tasterbetätigung b) Einschalten: Der Taster S1 betätigt das Schütz K1. Der Selbsthaltekontakt K1 schließt. Der Motor ist eingeschaltet. Der Kontakt des Drehzahlwächters F3 schaltet um. Da der Schließer des Schützes K1 geschlossen ist, schaltet Hilfsschütz K3 ein. Selbsthaltekontakt und Schließer von K3 schließen. Ausschalten: Bei Betätigung des Aus-Tasters S0 wird durch den Öffner das Schütz K1 ausgeschaltet und durch den Schließer das Schütz K2 eingeschaltet. Der Ein-Befehl für K2 wird erst wirksam, wenn der Öffner von K1 geschlossen ist. Der Selbsthaltekontakt von K2 schließt. Der Motor wird durch Gegenstrom abgebremst. Bei einer niedrigen, eingestellten Drehzahl des Drehzahlwächters schaltet der Kontakt F3 in seine Ausgangsstellung um. Das Hilfsschütz K3 wird ausgeschaltet. Der Schließer von K3 öffnet und schaltet das Schütz K2 ab. Die Gegenstrombremsung ist beendet. Dauerkontaktgabe c) Durch Schließen des Befehlsgebers S1 wird das Schütz K1 betätigt. Durch Öffnen des Befehlsgebers wird der Bremsvorgang eingeleitet; sonst wie unter Tasterbetätigung.

Stromlaufpläne für direktes Umsteuern von DrehstromAsynchronmotoren mit Gegenstrombremsen in beiden Drehrichtungen

a) Hauptstromkreis

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – 51

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung b) Hilfsstromkreis bei Tasterbetätigung

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütze K1, K2 mit je 2S+1Ö, Schütz K3 mit 1S+1Ö, Taster S0, S1, S2 mit je 1S+1Ö, Drehzahlwächter F3 mit 1W, Überlastrelais F2 mit 1Ö

c) Hilfsstromkreis bei Dauerkontaktgabe

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütze K1, K2 mit je 1Ö, Befehlsgeber S1 mit 3 Schaltstellungen, Drehzahlwächter F3 mit 2W, Überlastrelais F2 mit 1Ö

8 – 52

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Tasterbetätigung b) Einschalten: Der Taster S1 betätigt das Schütz K1. Der Selbsthaltekontakt K1 schließt. Der Motor läuft z. B. rechts an. Der Kontakt F3 des Drehzahlwächters für rechte Drehzahl schaltet um. Umschalten: Bei Betätigen des Tasters S2 erhält das Schütz K1 über den Öffner des Tasters S2 Aus-Befehl und das Schütz K2 über den Schließer des Tasters S2 Ein-Befehl. Der Ein-Befehl für das Schütz K2 wird erst wirksam, wenn der Öffner des Schützes K1 geschlossen ist. Der Selbsthaltekontakt K2 schließt. Der Motor wird abgebremst und läuft links an. Ausschalten: Bei Betätigen des Aus-Druckknopfs S0 werden, wenn das Schütz K1 eingeschaltet war, durch den Öffner S0 das Schütz K1 ausgeschaltet und durch den Schließer von S0 über den umgeschalteten Bremswächterkontakt von F3 das Schütz K2 eingeschaltet. Der Ein-Befehl für das Schütz K2 wird erst wirksam, wenn der Öffner von K1 geschlossen ist. Der Selbsthaltekon-takt und der Schließer von K2 schließen. Das Hilfsschütz K3 wird eingeschaltet. Der Selbsthaltekontakt K3 schließt, der Öffner K3 öffnet, der Selbsthaltekontakt K2 wird unwirksam. Der Motor wird durch Gegenstrom abgebremst. Bei einer niedrigeren eingestellten Drehzahl des Drehzahlwächters schaltet der Kontakt von F3 zu seiner Ausgangsstellung um, das Schütz K2 wird ausgeschaltet. Der Schließer von K2 öffnet und schaltet das Hilfsschütz K3 ab. Die Gegenstrombremsung ist beendet. War das Schütz K2 eingeschaltet, läuft der Vorgang sinngemäß ab. Dauerkontaktgabe c) Einschalten: Der Befehlsgeber S1 schaltet z. B. in Stellung R (rechts) das Schütz K1 ein. Der Motor läuft rechts an. Der Kontakt des Drehzahlwächters F3 für die rechte Drehzahl schaltet um. Der Öffner von S1 öffnet. Umschalten: Den Befehlsgeber S1 von Stellung R (rechts) über Stellung 0 in Stellung L (links) schalten. Zuerst öffnet der Schließer der Stellung R (Schütz K1 wird ausgeschaltet), dann schließt der Öffner der Stellung 0 (Schütz K2 wird eingeschaltet, da Öffner von K1 geschlossen ist). Der Motor wird durch Gegenstrom abgebremst. Danach schließt der Schließer der Stellung L (nach Umschaltung des Kontakts von F3, rechts, bleibt das Schütz K2 eingeschaltet), der Motor läuft links an. Ausschalten, z. B. wenn das Schütz K1 eingeschaltet ist (Motor läuft rechts): Den Befehlsgeber S1 von Stellung R in Stellung 0 schalten. Der Schließer der Stellung R öffnet, das Schütz K1 wird ausgeschaltet. Der Öffner der Stellung 0 schließt, das Schütz K2 wird eingeschaltet, sobald der Öffner K1 geschlossen ist. Der Motor wird durch Gegenstrom abgebremst. Bei einer niedriger eingestellten Drehzahl des Drehzahlwächters schaltet der Kontakt von F3 in seine Ausgangsstellung um, das Schütz K2 wird ausgeschaltet. Die Gegenstrombremsung ist beendet. War das Schütz K2 eingeschaltet (Motor läuft links), dann läuft das Ausschalten sinngemäß ab.

Stromlaufpläne für eine Schaltung mit Bandwächter Bandwächter dienen zum Überwachen von Förderbändern. Wenn das Band festklemmt, reißt, unzulässig stark rutscht oder wenn die Drehzahl des Antriebs einen bestimmten Wert unterschreitet, gibt der Bandwächter dem Motorschaltgerät einen Aus-Befehl. Der Bandwächter kann außerdem noch den ordnungsgemäßen Anlauf eines Bands überwachen. Hier schaltet der Bandwächter den Motor des zufördernden Bands erst bei Überschreiten einer bestimmten Drehzahl des abfördernden Bands ein. Das Zeitrelais K4 und das Hilfsschütz K2 überbrücken während des Bandanlaufs die vorgegebene Umschaltzeit des Wechslers am Bandwächter F3.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – 53

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung

a) Hauptstromkreis

b) Hilfsstromkreis bei Tasterbetätigung

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütz K1 mit 1Ö, Schütz K2 mit 3S, Schütz K3 mit 2S, Taster S0 mit 1Ö, Taster S1 mit 1S, Zeitrelais K4 mit 1Ö verzögert, Drehzahlwächter F3 mit 1W, Überlastrelais F2 mit 1Ö

8 – 54

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung c) Hilfsstromkreis bei Dauerkontaktgabe

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütz K2 mit 3S, Schütz K3 mit 1S, Schütz K4 mit 1S+1Ö, Befehlsgeber S1 mit 1S, Zeitrelais K5 mit 1Ö verzögert, Bandwächter F3 mit 1W, Überlastrelais F2 mit 1Ö Tasterbetätigung b) Einschalten: Der Taster S1 betätigt das Hilfsschütz K2 und das Zeitrelais K4. Der Selbsthaltekontakt K2 schließt. Der Schließer K2 und damit das Hilfsschütz K3 schließen. Der Selbsthaltekontakt und der Schließer K3 schließen. Das Schütz K1 schaltet den Motor ein. Der Umschaltkontakt von F3 schaltet um. Der Öffner von Zeitrelais K4 schaltet nach Ablauf der eingestellten Zeit das Hilfsschütz K2 ab. Ausschalten: Klemmt das Förderband, so schaltet der Umschaltkontakt von F3 zurück. Der geöffnete Öffner K1 verhindert das Wiedereinschalten des Hilfsschützes K2 und des Zeitrelais K4. Hilfsschütz K3 und damit das Schütz K1 und der Motor werden abgeschaltet. Bei Verwendung eines abfallverzögerten Hilfsschützes K3 wird das Ausschalten des Motors bei kurzen Schwankungen der Bandgeschwindigkeit verhindert. Dauerkontaktgabe c) Einschalten: Der Befehlsgeber S1 betätigt Hilfsschütz K2 und das Zeitrelais K5. Der Selbsthaltekontakt K2 schließt. Der Schließer K2 betätigt die Schütze K3 und K4. Der Selbsthaltekontakt K4 schließt. Der Schließer K3 betätigt das Schütz K1. Der Motor schaltet ein. Ein selbsttätiges Wiederanlaufen des Motors nach Abschaltung durch Bandwächter F3 ist verhindert, da der Öffner des Hilfsschützes K4 geöffnet ist. Weitere Schaltungsbeschreibung wie bei Tasterbetätigung.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – 55

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Stromlaufpläne für einen Drehstrom-Asynchronmotor mit Druckwächter in Schützsteuerung

a) Hauptstromkreis

b) Hilfsstromkreis

Der Druckwächter F3 gibt über den Öffner von F3 Schaltbefehle für das Schütz K1. Der Motor wird aus- bzw. eingeschaltet.

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Druckwächter F3 mit 1Ö, Überlastrelais F2 mit 1Ö

8 – 56

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Stromlaufpläne für eine Wendeschaltung mit Positionsschaltern zum Öffnen und Schließen eines Tors (Torschaltung)

a) Hauptstromkreis

b) Hilfsstromkreis Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütze K1, 2 mit je 1S+1Ö, Taster S0 mit 1Ö, Taster S1, S2 mit je 1S+1Ö, Positionsschalter S3, S4 mit je 1Ö, Überlastrelais F2 mit 1Ö

Tasterbetätigung b) Tor schließen: Der Taster S1 betätigt das Schütz K1. Der Selbsthaltekontakt K1 schließt. Der Motor läuft rechts an, das Tor wird geschlossen. Wenn das Tor geschlossen hat, öffnet der Positionsschalter S3, das Schütz K1 und der Motor werden abgeschaltet. Tor öffnen: Der Taster S2 betätigt das Schütz K2. Der Selbsthaltekontakt K2 schließt. Der Motor läuft links an, das Tor wird geöffnet. Ist das Tor vollständig geöffnet, so öffnet der Positionsschalter S4. Das Schütz K2 und der Motor werden abgeschaltet. Für nicht vollständiges Schließen und Öffnen des Tores ist der Aus-Taster S0 vorhanden.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – 57

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Stromlaufpläne für Positionsschalter mit Leuchtmelder

a) Meldung bei ausgeschalteter Schützspule: Leuchtmelder parallel zum Schaltglied des Positionsschalters

b) Meldung bei ausgeschalteter Schützspule: Leuchtmelder parallel zur Schützspüle

b) Meldung bei eingeschalteter Schützspule: Leuchtmelder parallel zur Schützspule Der Leuchtmelder H1 kann unmittelbar parallel zum Schließer bzw. Öffner des Positionsschalters 51, der die Schützspule K1 betätigt, geschaltet werden (Bild a). Bei ausgeschalteter Schützspule K1 ist der Leuchtmelder H1 eingeschaltet. H1 und K1 liegen in Reihe. Der Lampenwiderstand ist jedoch so groß, dass die Schützspule nicht betätigt wird. Bei eingeschalteter Schützspule K1 wird der Leuchtmelder Hl überbrückt und ist ausgeschaltet. Die Positionsschalter sind mit einsetzbarer Lampenfassung lieferbar, so dass der Leuchtmelder in einfacher Weise parallel zum Schließer oder Öffner des Positionsschalters geschaltet werden kann. Werden die Schützspule K1 vom Öffner des Positionsschalters S1 und der Leuchtmelder H1 vom Schließer S1 (bzw. umgekehrt) eingeschaltet (Bild b), so erfolgt Meldung bei ausgeschalteter Schützspule K1. Werden die Schützspule K1 und der Leuchtmelder H1 durch das gleiche Schaltglied des Positionsschalters S1 (Schließer bzw. Öffner) eingeschaltet, so erfolgt Meldung bei eingeschalteter Schützspule K1 (Bild c).

8 – 58

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Schaltungen mit schaltbaren Wandler-Reihenklemmen

Hinweis: In Niederspannungs-Schaltanlagen und -Verteilern sowie in Warten und dergleichen können Wandler-Reihenklemmen zum Prüfen, Trennen und Schalten von Stromkreisen ohne Betriebsunterbrechung eingesetzt werden.

a) Schaltung 1: ein Wandler ohne Abgang

b) Schaltung 2: ein Wandler mit Abgang

c) Schaltung 3: drei Wandler ohne Abgang und OHNE gemeinsame Sternpunktleitung

d) Schaltung 4: drei Wandler ohne Abgang MIT gemeinsamer Sternpunktleitung

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – 59

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Wandler-Reihenklemmen stehen in zwei Ausführungen zur Verfügung, und zwar als: • Trennklemme ohne Prüfbuchsen, • Messtrennklemme mit Prüfbuchsen In vielen Fällen wird das Trennglied in der Durchgangsverbindung nicht benötigt (Bild d - Schaltung 4), und es kann ohne weiteres eine Durchgangsklemme ohne Prüfbuchsen eingesetzt werden. Hierdurch werden Übergangsstellen und evtl. Fehlbetätigungen vermieden, die zur Beschädigung der Wandler führen könnten. Durch Einlegen einer Schaltbrücke lassen sich zwei Reihenklemmen parallelschalten, so dass z. B. der Stromwandler sekundärseitig überbrückt und Messinstrumente während des Betriebs ausgewechselt werden können. Die Grundschaltung der Wandler-Reihenklemmen wird am besten bei dem Messsatz für einen Wandler deutlich (Bild a). Prüfen: (Ein Wandler ohne Abgang, Bild a) Das Prüfinstrument P1OG mit Buchsen der Klemme 2 (Schaltung 1, Klemmenleiste X1) verbinden und Trennglied der Klemme 1 öffnen. Das Prüfinstrument P10G ist mit dem Messinstrument P1N in Reihe geschaltet. Sinngemäß in Schaltung 2 (Ein Wandler mit Abgang, Bild b). Das Prüfinstrument P10G mit Buchsen der Klemme 1 (Schaltung 2, Klemmleiste X2) verbinden und die Trennglieder dieser Klemmen öffnen. Das Prüfinstrument ist mit dem Messinstrument P1N bzw. P2N in Reihe geschaltet. Die Bilder c und d zeigen in Schaltung 3 bzw. Schaltung 4 die entsprechenden Prüfmöglichkeiten bei drei Stromwandlern ohne Abgang sowie ohne bzw. mit gemeinsamer Sternpunktleitung. Messinstrumente während des Betriebs auswechseln: Die Möglichkeiten für das Auswechseln von Messinstrumenten in den Schaltungen 1 bis 4 während des Betriebs sind aus der entsprechenden Tabelle ersichtlich. Zur Überbrückung der Wandler in Schaltung 1

Schaltung 2

Schaltung 3

Schaltung 4

Schaltbrücke auf Klemmenleiste X1 einlegen zwischen den Klemmen -1 und 2 ---

1)

1 und 2 2 und 3 3 und 4 (1 und 2)1) --

-1 und 2 3 und 4 5 und 6

-2 und 3 4 und 5 6 und 7

Ausgewechselt werden kann Messinstrument P1N und P2N P1N P2N P3N

Klemmenleiste X2

8 – 60

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Schutzschalterklemmen für Hilfsstromkreise Schutzschalterklemmen sind für den Leitungs- und Geräteschutz in Hilfsstromkreisen bestimmt. Sie werden vor allem für Steuerleitungen zu Befehlsgebern, Magnetventilen und anderen Verbrauchern eingesetzt, aber auch zum Schützen von Ein- und Ausgängen einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) oder Schützsicherheitskombinationen und kommen dem Wunsch nach sicherungsloser Bauweise entgegen. Die Beschaffung von Sicherungen durch die Ersteller und Betreiber von Schaltanlagen entfallen. Somit wird auch eine schnellere Wiederbereitschaft der Anlage nach einer Auslösung sichergestellt. Durch die Montage der Schutzschalterklemmen auf der Klemmenleiste entsteht eine eindeutige räumliche Zuordnung der Schutzschalterklemmen zu den abgehenden Leitungen. Hieraus ergeben sich klare Vorteile: Im Fall einer Auslösung erfolgt die Anzeige unmittelbar an dem betroffenen Hilfsstromkreis, so dass die Störungssuche erheblich vereinfacht wird. Bei einer Inbetriebnahme oder Umstellung lassen sich z. B. die Stromkreise bequem einzeln zu- oder abschalten. Die Schutzschalterklemmen entsprechen der “Bestimmung für Niederspannung-Schaltgeräte, Leistungsschalter” DIN VDE 0660 Teil 101, der IEC-Publikation 947-2 und der “Bestimmung für Reihenklemmen zum Anschließen oder Verbinden von Kupferleitungen” DIN VDE 0611 Teil 3, soweit diese für Schutzschalterklemmen zutreffen. Die Schutzschalterklemmen mit Hilfsschaltglied haben einen Öffner, der bei eingeschaltetem Hauptstromkreis geöffnet ist und bei einer Auslösung schließt. Dadurch kann eine Meldung erfolgen. Zusätzlich ist eine Durchgangsverbindung für die Rückleitung des geschützten Stromkreises vorhanden. Alle Anschlussklemmen sind für den Anschluss von zwei Leitern ausgelegt, z. B. zum Parallelschalten der Hilfsschaltglieder für eine Sammelstörmeldung.

Verwendung der eingebauten Durchgangsverbindung für die Rückleitung vom Verbraucher.

Parallelschalten der Hilfsschalter für Sammelstörmeldungen

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – 61

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung

TIPP: Mit Hilfe einer Einspeiseklemme und Verbindungsschiene kann der Verdrahtungsaufwand erheblich reduziert werden.

Induktive Wechselstromverbraucher, wie Schützspulen und Magnetventile, haben Einschaltstromspitzen in Höhe des zehnfachen Dauerstroms. Schutzschalterklemmen mit unverzögerten Kurzschlussauslösern sind so auszuwählen, dass sie nicht infolge der Einschaltstromspitzen auslösen. Es ist auch gegebenenfalls zu überprüfen, ob der angeschlossene Leiter entsprechend der gewählten Schutzschalterklemme ausreichend dimensioniert ist.

TIPP: Bei Verwendung einer Schutzschalterklemme mit stromabhängig verzögertem Überlastauslöser kann ein Gerät mit niedrigerem Bemessungsstrom ausgewählt werden, weil hierbei die Kurzschlussauslöser erst bei höheren Werten ansprechen.

Auslösekennlinien der Schutzschalterklemmen mit Kurzschlussauslöser (n-Auslöser).

8 – 62

Auslösekennlinien der Schutzschalterklemmen mit kombinierten Überlast- und Kurzschlussauslösern (an-Auslöser) bei 40°C Umgebungstemperatur

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Initiator-Aktor-Klemmen

Bei Initiator-Aktor-Klemmen zum Anschluss von Signalgebern an eine SPS können Schaltzustände bzw. das Anliegen der Spannung durch LED sichtbar gemacht werden. Somit entfällt das Prüfen mit Messgeräten. Über spezielle Verbindungsmodule werden die Potentiale L+, L- und Schirm der Initiator-Aktor-Klemmen beim Aufstecken automatisch verbunden. Das sonst übliche “Brücken” ist überflüssig. Die Verbindungsmodule mit einer Einspeiseklemme und 8 Initiator-AktorKlemmen bzw. einer Einspeiseklemme und 17 Initiator-Aktor-Klemmen können auf 35-mm-Hutschiene geschnappt oder geschraubt werden. Die Anschlusszahl der Verbindungsmodule ist exakt auf die Ein/Ausgabebaugruppen der SPS abgestimmt. Zum Weiterbrücken kann eine Klemmstelle vom breiten Modul (18 Steckplätze) verwendet werden. Das Lösen einer Initiator-Aktor-Klemme aus dem Block ist ohne Stromunterbrechung möglich. Die Einspeiseklemmen sind mit einem zusätzlichen Minus-Abgang versehen, der zur Versorgung von potentialgetrennten Digital-Ein/Ausgabebaugruppen genutzt werden kann. Somit kann die Masse (M) über die Klemmen gebrückt werden.

Initiator-Aktor-Klemmen mit potentialgetrennten Digital-Ein-/Ausgabebaugruppen.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – 63

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Schaltungen mit Fehlerstrom-(Differenzstrom-)Schutzeinrichtungen Steuerspeisespannung

Schmelze Schamotteauskleidung Wandung

Fehlerstrom-Schutzschaltung mit Leistungsschalter und FehlerstromSchutzeinrichtung. Abgriff der Spannung des Prüfstromkreises vor dem Leistungsschalter oder von einer Fremdspannungsquelle. Die Unterbrechung mit dem Hilfsschalter 15-16 des Auslöserelais ist notwendig. F1, F2 F5 F6 F7 H1

Steuerleitungssicherungen Auslöserelais Fehlerstromauslöser Unterspannungsauslöser Meldung “Störung durch Fehlerstrom” H2 Meldung “Bereit” Q1 Leistungsschalter Reset Entriegelungstaste “R” R1 Prüfwiderstand T1 Summenstromwandler S1 Prüftaste “T”

1)

1)F2 kann entfallen, wenn die Spannung des Prüfstromkreises zwischen Außenleiter udn N-Leiter bzw. hinter einem Steuerspannungstransformator abgegriffen wird.

Beispiel für die Überwachung von Schmelzöfen mit einer FehlerstromSchutzeinrichtung.

Das Bild links zeigt den Schutz eines Stromkreises durch einen Leistungsschalter mit einer Fehlerstrom-Schutzeinrichtung. Wenn kein Fehlerstrom (Differenzstrom) fließt, erfolgt die Meldung “Bereit” (H2) und der Unterspannungsauslöser F7 im Leistungsschalter wird an Spannung gelegt. Der Leistungsschalter Q1 kann eingeschaltet werden.

Während des Betriebs kann in der überwachten Leitung und/oder in der Last ein Fehlerstrom oder Erdschluss, z. B. durch fehlerhafte Isolierung auftreten. Überschreitet der Fehlerstrom den Wert des Bemessungsfehlerstroms I∆n, so bewirkt die induzierte Spannung in der Sekundärwicklung (Z1, Z2) des Summenstromwandlers T1 ein Ansprechen des Fehlerstromauslösers F6 in dem Auslöserelais F5. Der Öffner (15, 16) und der Schließer (27, 28) werden von dem

8 – 64

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Fehlerstromauslöser F6 mechanisch betätigt. Dadurch löst einerseits der Unterspannungsauslöser F7 den Leistungsschalter Q1 aus und andererseits erfolgt die Meldung “Störung durch Fehlerstrom” (H1). Die Meldung “Bereit” wird dabei gelöscht. Durch das Auslösen des Unterspannungsauslösers F7 wird der Leistungsschalter Q1 geöffnet und damit die Fehlerstromstelle vom Netz getrennt. Da der Fehlerstromauslöser F6 mechanisch selbstverriegelnd ist, muss vor einem erneuten Einschalten des Leistungsschalters Q1 nach einer Fehlerstromauslösung die Entriegelungstaste R (Reset) am Fehlerstromauslöser F6 betätigt werden. Zur Funktionsprüfung wird mit Hilfe der Prüftaste T (S1) über die Prüfwicklung (A2, Z3) die Sekundärwicklung (Z1, Z2) des Summenstromwandlers T1 erregt. Es fließt ein Prüfstrom, der dem des Fehlerstroms I∆n entspricht. Der Fehlerstromauslöser F6 wird aktiviert und betätigt unter anderem den Öffner (15, 16), wodurch der Prüfstromkreis unterbrochen wird. Das Bild rechts zeigt die Überwachung eines Schmelzofens mit Hilfe einer Fehlerstrom-Schutzeinrichtung. Bei stromleitfähigem Schmelzmaterial und aufgrund eines Alterungsprozesses bei zu dünner oder fehlerhafter Schamottauskleidung fließt ein Strom von dem stromleitfähigen Material der Schmelze zu der geerdeten Wandung. Überschreitet dieser Erschlussstrom in der Sekundärwicklung (Z1, Z2) des Summenstromwandlers T1 den Wert des Fehlerstroms I∆n, so wird in dem Auslöserelais F5 über den Schließer (27, 28) die Hupe eingeschaltet. Zusätzlich wird der Öffner (15-16) betätigt. Hierdurch kann die Funktion der Fehlerstrom-Schutzeinrichtung erst im zurückgestellten Zustand, d. h. nach Betätigung der Entriegelungstaste R, geprüft werden.

Koppelglieder Koppelglieder übernehmen gleichzeitig verschiedene Aufgaben: • Verbinden von Geräten und Anlagen mit unterschiedlichem Signalpegel, vor allem Elektroniksysteme mit elektromechanischen Geräten. • Galvanische Trennung zwischen Eingang (z. B. Spule) und Ausgang (z. B. Schaltglieder) innerhalb des Koppelglieds.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

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8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung • •

Keine Weiterleitung von Überspannungen infolge von Schaltvorgängen und atmosphärischen Störungen. Verstärken von leistungsschwachen Signalen. Dies ermöglicht z. B. die Belastung der Ausgänge eines Elektroniksystems niedrig zu halten und das Elektroniksystem selbst kompakter zu gestalten.

Die Koppelglieder in Klemmenform sind insbesondere für die Montage auf Reihenklemmentragschienen vorgesehen. Die Eingangs- und Ausgangs-Koppelglieder unterscheiden sich durch die räumliche Lage der Anschlüsse. Die Anschlüsse sind nach DIN EN 50005 gekennzeichnet. Eingangskoppelglieder

Ausgangskoppelglieder

Geräteschaltpläne von Koppelgliedern in Klemmenform.

Relaiskoppelglieder

Eingangskoppelglieder

Ausgangskoppelglieder Ausgangskoppelglieder

Eingangskoppelglieder

Halbleiterkoppelglieder Optokoppler

Fremdspannung, z. B. DC 24V AC 115V AC 230V EingangsKoppelglieder Galvanische Trennung und ggf. sichere Trennung 1) zwischen Ansteuerung und SPS

SPS DC 24-V-Ebene

Eingänge Ausgänge Galvanische Trennung und ggf. sichere Trennung 1)

AusgangsKoppelglieder

Fremdspannung, z.B. DC 24V, max. 1A

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Fremdspannung, z.B. AC 230V, max. 1,5A

Eingangs- und Ausgangskoppelglieder.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Schaltungen mit Zeitrelais in Hilfsstromkreisen: Stern-DreieckAnlassen von Drehstrom-Asynchronmotoren mit Sternschütz, Dreieckschütz, Netzschütz und Zeitrelais a) Hilfsstromkreise bei Tasterbetätigung

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Taster S0 mit 1Ö, Taster S1 mit 1S, Zeitrelais K4 mit 1S+1S verzögert, Schütz K1 mit 2S, Schütz K2 mit 1S+1Ö, Schütz K3 mit 1Ö, Überlastrelais F2 mit 1Ö

b) Hilfsstromkreise bei Dauerkontaktgabe: Neustart bei Spannungswiederkehr nach Spannungseinbruch

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Dauerkontaktgeber S1 mit 1S, Zeitrelais K4 mit 1S+1S verzögert, Schütz K1 mit 2S, Schütz K2 mit 1S+1Ö, Schütz K3 mit 1Ö, Überlastrelais F2 mit 1Ö

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – 67

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung c) Hilfsstromkreise bei Dauerkontaktgabe: Weiterlauf bei kurzzeitigem Spannungseinbruch

Erforderliche Hilfsschaltglieder: Dauerkontaktgeber S1 mit 1S, Zeitrelais K4 mit 1S+1S verzögert, Schütz K1 mit 2S, Schütz K2 mit 1Ö+1S, Schütz K3 mit 1Ö+1S, Überlastrelais F2 mit 1Ö Tasterbetätigung a) Einschalten: Der Taster S1 betätigt das Stern-Dreieck-Zeitrelais K4 und das Sternschütz K2 über den unverzögerten Schließer 17-18 des Zeitrelais. Die Selbsthalteschließer K1 und K2 schließen. Der Motor läuft in der Sternstufe hoch. Umschalten: Nach Ablauf der eingestellten Verzögerungszeit öffnet der unverzögerte Schließer K4, das Sternschütz K2 wird ausgeschaltet. Wenn der verzögerte Schließer K4 des Stern-Dreieck-Zeitrelais nach 50 ms Umschaltpause schließt, wird das Dreieckschütz K3 über den Öffner von K2 eingeschaltet. Der Motor läuft in der Dreieckstufe. Ausschalten: Durch Betätigen von Taster S0 öffnet das Netzschütz K1; der Schließer von K1 öffnet, das Dreieckschütz K3 und der Motor werden abgeschaltet. Die nicht erwähnten Schützkontakte dienen zur Verriegelung zwischen Stern- und Dreieckschütz. Dauerkontaktgabe b) und c) Der Dauerkontaktgeber S1 schaltet die Schütze wie unter Tasterbetätigung ein und aus. Verhalten bei kurzzeitiger Unterbrechung der Steuerspannung während des Dreieckbetriebs: Bei Unterbrechung der Steuerspannung fallen die Schütze K1 und K3 sowie das Zeitrelais K4 ab. Bei Spannungswiederkehr innerhalb der Wiederbereitschaftszeit des Stern-DreieckZeitrelais K4 kann der verzögerte Schließer 27-28 von K4 sofort schließen. Dadurch kann jedoch keines der Schütze angesteuert werden. Es ist also ein Neustart durch Öffnen von S1 und nachfolgendes Schließen erforderlich. Um einen automatischen Weiterlauf des Motors in Dreieckbetrieb nach kurzzeitigen Spannungseinbrüchen innerhalb der Wiederbereitschaftszeit von K4 zu erreichen, ist neben der Brücke zwischen den Anschlüssen 17 und 27 am Zeitrelais folgende Änderung des serienmäßigen Steuerstromkreises erforderlich (Bild c): • Ein zusätzlicher Schließer K3 zur Ansteuerung von K1.

Funktionsdiagramm des Stern-Dreieck-Zeitrelais.

8 – 68

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Funktionsmöglichkeiten eines motorischen Zeitrelais Ablauf mit Zeitaddition Ablauf ohne Zeitaddition

Ablaufzeit

Zeitablaufdiagramme für motorische Zeitrelais mit und ohne Zeitaddition.

Stromlaufplan des motorischen Zeitrelais mit rückfallverzögerter Zeitfunktion.

Die getrennte Ansteuerung von Motor A1/A2 und Hilfsrelais B1/B2 des Zeitrelais ermöglicht wahlweise einen Zeitablauf mit oder ohne Zeitaddition. Dabei ist der Druckknopf am Gerät grundsätzlich in die Stellung “ohne Nullspannungssicherheit” zu stellen.

Ablauf mit Zeitaddition: Bei Ansteuerung des Hilfsrelais (Anschlüsse B1/B2) wird der Motor eingekuppelt und der unverzögerte Schließer (33-34) betätigt. Der Zeitablauf beginnt dann mit der Ansteuerung des Motors (A1/A2). Bei Unterbrechung der Ansteuerung des Motors wird auch der Zeitablauf unterbrochen und nach Spannungswiederkehr fortgesetzt. Nach Zeitablauf schalten die beiden verzögerten Schaltglieder (Wechsler 15-16 auf 15-18 und Schließer 27-28). Bei Entregung des Hilfsrelais wird der Motor ausgekuppelt und alle Schaltglieder fallen in die Ausgangsstellung zurück. Ablauf ohne Zeitaddition: Das Hilfsrelais (Anschlüsse B1/B2) wird bei bereits laufendem Motor angesteuert (Schnellstart) und gleichzeitig der unverzögerte Schließer (33-34). Bei Unterbrechung der Ansteuerung des Hilfsrelais wird der Motor ausgekuppelt, das Zeitrelais läuft in seine Ausgangsstellung zurück und der unverzögerte Schließer wird geöffnet. Nach Spannungswiederkehr beginnt der Zeitablauf von neuem. Durch den “Schnellstart” wird die Wiederholgenauigkeit im Bereich bis 6 s verbessert, sie beträgt ± 0,3 % bei Referenzbedingungen (Bemessungssteuerspeisespannung, Umgebungstemperatur +25 °C).

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – 69

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Das Zeitrelais kann auch mit gleichzeitiger Ansteuerung von Motor und Hilfsrelais betrieben werden, hierbei kann dann wahlweise mit dem Druckknopf am Gerät die Nullspannungssicherheit ein- oder ausgeschaltet werden. Wird das Gerät mit Druckknopf in Stellung “mit Nullspannungssicherheit” betrieben, so darf vor Beendigung des Zeitablaufs das Hilfsrelais nicht alleine entregt werden, da sonst bei Beendigung des Zeitablaufs die verzögerten Schaltglieder eine undefinierte Stellung einnehmen. Rückfallverzögerte Zeitfunktion: Die getrennte Ansteuerung von Motor und Hilfsrelais ermöglicht außerdem die Verwendung als rückfallverzögertes Zeitrelais mit Hilfsspannung. Durch Schließen des Schließers S1 wird das Hilfsrelais (Anschlüsse B1/B2) des Zeitrelais K1 erregt, der unverzögerte Schließer 33-34 wird geschlossen und die Last K2 liegt an Spannung. Wird von S1 der Schließer geöffnet und der Öffner geschlossen, so wird der Motor (Anschlüsse A1/A2) an Spannung gelegt und der Zeitablauf beginnt. Nach Zeitablauf schaltet der verzögerte Wechsler des Zeitrelais von 15-16 auf 15-18, damit wird die Last ausgeschaltet.

8 – 70

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Ersatzstromversorgungsanlagen Je komplexer die netzabhängigen Systeme, je schwerwiegender sich ein Netzausfall auswirken und je länger er andauern kann, desto notwendiger wird eine autonome Ersatzstromversorgung. Dies gilt insbesondere dort, wo hochwertige Geräte und Systeme betrieben werden, wo Information und Kommunikation im Vordergrund stehen, wo man produziert, automatisiert und verwaltet, sowie dort, wo bereits kleine Netzstörungen große Folgen haben können. In der Struktur der Ersatzstromversorgung gilt folgende Hierarchie und Arbeitsteilung: • Die USV-Anlage versorgt unterbrechungsfrei die empfindlichsten Verbraucher. Die Batterie überbrückt die Zeit, bis die Netzersatzanlage (Dieselgenerator) angelaufen ist. • Der Generator versorgt neben der USV-Anlage die zum reibungslosen Betriebsablauf unentbehrliche Elektrotechnik, z.B. Beleuchtung, Klimaanlage, Aufzüge u.a. wichtige Einrichtungen. Die Stromversorgung kritischer Verbraucher kann aber nur dann zuverlässig gewährleistet werden, wenn eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV-Anlage) integrierter Bestandteil des Systems ist. USV-Anlagen sorgen dafür, dass die Spannungsschwankungen, Kurzunterbrechungen und Netzausfälle ohne Auswirkungen bleiben. Unabhängig davon, ob es um Unregelmäßigkeiten im Millisekundenbereich oder um den Ausfall für Minuten geht. Gleichrichter, Wechselrichter, Netzrückschalteinrichtungen (NRE) und Handumgehung sind die Hauptbestandteile einer USV-Anlage. Zusammen mit einer Batterie als Energiespeicher bietet diese Konfiguration eine absolut unterbrechungsfreie Stromversorgung.

Beachte: Wegen der Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Anlagenteilen muss deren Zusammenwirken im Ersatznetzverbund besonders sorgfältig projektiert werden. Bei Ausfall der Netzspannung soll in den meisten Fällen die Ersatzstromversorgungsanlage automatisch die Stromversorgung übernehmen. Voraussetzung für den automatischen Betrieb des Dieselmotors ist die elektrische Starteinrichtung, bestehend aus Anlasser, Starterbatterie und Lichtmaschine. Die Umschaltung von Netz- auf Generatorbetrieb geht bei automatischem Betrieb von einem Netzüberwachungsrelais aus, der wiederum von einem Steuergerät, das an der Batteriespannung liegt, angesteuert wird. Neben dem Automatikbetrieb ist meistens auch Hand- und Probebetrieb möglich.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

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8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Stromlaufpläne für dreipolige Umschaltung mit Schützen von Netzbetrieb auf Ersatzstromversorgungsanlage

Netzeinspeisung a) Hauptstromkreis

Ersatzstromgenerator

Verbraucher b) Hilfsstromkreis Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütze K1, K2 mit je 1S+1Ö Taster S1, S2 mit je 1S+1Ö, Spannungswächter F6 mit 1S+1Ö, Wahlschalter S3 mit 4 Schaltstellungen

Betätigung b) Wahlschalter S3 in Stellung “Hand” (H): Durch den Taster S2 kann der Generator und durch den Taster S1 das Netz zugeschaltet werden. Wahlschalter S3 in Stellung “Selbst” (S): Bei Netzausfall öffnet der Öffner und schließt der Schließer vom Spannungswächter F6. Das Netzschütz K1 schaltet aus. Der Öffner K1 des Netzschützes schließt und schaltet das Generatorschütz K2 ein. Der Generator wird über das Selbststeuergerät angelassen. Bei Wiederkehr der Netzspannung öffnet der Schließer des Spannungswächters F6. Das Generatorschütz K2 schaltet ab. Der Generator wird über das Selbststeuergerät abgeschaltet. Der Öffner des Spannungswächters F6 und der Öffner des Generatorschützes K2 schließen, das Netzschütz K1 schaltet ein und damit das Netz wieder zu.

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Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

8 – Grundlagen der Schaltplanerstellung Stromlaufpläne für die Umschaltung von Netzbetrieb auf Ersatzstromversorgungsanlage mit vierpoliger Abschaltung des Verteilungsnetzes durch zwei dreipolige Schütze

Selbststeuergerät

Störmeldung

Netzeinspeisung a) Hauptstromkreis

Ersatzstromgenerator

Verbraucher b) Hilfsstromkreis Erforderliche Hilfsschaltglieder: Schütz K1 mit 1S+1Ö, Schütz K2 mit 1S+1Ö, Schütz K3 mit 1S+1Ö, Taster S1, S2 mit je 1S+1Ö, Spannungswächter F6 mit 1S-1Ö, Wahlschalter S3 mit 4 Schaltstellungen

Betätigung b) Wahlschalter S3 in Stellung “Hand” (H): Mit dem Taster S2 kann der Generator über das Generatorschütz K2 eingeschaltet werden. Mit dem Taster S1 werden das Neutralleiter-Schütz K3 und das Netzschütz K1 eingeschaltet. Der Ein-Befehl für das Netzschütz K1 wird erst wirksam, wenn der Schließer von K3 geschlossen ist. Wahlschalter S3 in Stellung “Selbst” (S): Bei Netzausfall öffnet der Öffner und schließt der Schließer des Spannungswächters F6. Durch den Öffner von F6 wird das Neutralleiterschütz K3 ausgeschaltet. Der Schließer von K3 öffnet und schaltet das Netzschütz K1 aus. Durch den Schließer von F6 wird das Generatorschütz K2 betätigt. Der Ein-Befehl für K2 wird erst wirksam, wenn der Öffner von K1 geschlossen ist, K2 schaltet auf Generatorbetrieb um. Bei wiederkehrender Netzspannung öffnet der Schließer des Spannungswächters F6. Das Schütz K2 und der Generator schalten aus. Die Öffner von F6 und K2 schließen und das Neutralleiterschütz K3 schaltet ein. Der Schließer von K3 schließt und das Netzschütz K1 schaltet ein. Eine Störmeldung erfolgt, wenn das Schütz K1 oder K3 nicht aus- bzw. eingeschaltet ist. Näheres zu drei- oder vierpoliger Abschaltung des Verteilungsnetzes bei Ersatzstromversorgungsanlagen ist in der Bestimmung in DIN VDE 0100 Teil 728 enthalten.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

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Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

9 – Auswahlkriterien für Niederspannungs-Schaltgeräte

Auswahlkriterien für Niederspannungs-Schaltgeräte in Hauptstromkreisen Niederspannungs-Schaltgeräte lassen sich grundsätzlich entsprechend ihren Aufgaben in Geräte für Hauptstromkreise und für Hilfsstromkreise einteilen.

Hinweis: Die Änderung von “Nenn...” in “Bemessungs...” wurde erforderlich, weil entsprechend internationaler Vereinbarungen “Nennwerte” die Daten des Versorgungsnetzes (z. B. Nennspannung) angeben. Dagegen sind Schaltgeräte für bestimmte physikalische Werte bemessen, daher Bemessungswerte.

Bemessungsspannung und Netzfrequenz Die Netzspannung und die Netzfrequenz sind maßgebend für die Auswahl der Schaltgeräte nach der Bemessungsisolationsspannung Ui und der Bemessungsbetriebsspannung Ue. Die Bemessungsisolationsspannung Ui ist der genormte Wert der Spannung, für den die Isolation eines Schaltgeräts oder Zubehörteils bemessen ist. Die Bemessungsbetriebsspannung Ue eines Schaltgeräts ist die Spannung, auf die sich z. B. beim Leistungsschalter die Kenngrößen seines Schaltvermögens oder bei Motorstartern und Schützen auch die Betriebsart und die Gebrauchskategorie beziehen. Bei Drehstromsystemen gilt die Dreieckspannung des Netzes. Einem Schaltgerät können mehrere Bemessungsbetriebsspannungen für jeweils andere Kenngrößen (z. B. Schaltvermögen und Lebensdauer) zugeordnet werden.

Hinweis: Nenndaten für Niederspannungs-Schaltgeräte entsprechen seit Inkrafttreten der Vorschriften IEC 947-... bzw. der neuen DIN VDE 0660-... den in Katalogen und anderen Veröffentlichungen genannten Bemessungswerten.

Bemessungs-Kurzschlussfestigkeit und Bemessungsschaltvermögen Der Kurzschlussstrom an der Einbaustelle ist maßgebend für die Auswahl der Schaltgeräte. Die dynamische Kurzschlussfestigkeit und der BemessungsStoßkurzschlussstrom IS sind nicht mehr in den Vorschriften enthalten. IS entspricht nach DIN VDE 0660 Teil 100 dem Selektivitäts-Grenzstrom und nach DIN VDE 0102, 01.90, dem Stoßkurzschlussstrom ip. Die zulässige thermische Kurzschlussbelastbarkeit wird als Bemessungskurzzeitstrom bezeichnet. Er ist der zulässige Strom, den das Schaltgerät eine bestimmte Zeit ohne Schaden führen kann.

Grundlagen der Niederspannungs-Schalttechnik

9–1

9 – Auswahlkriterien für Niederspannungs-Schaltgeräte Das Bemessungs-Kurzschlussausschaltvermögen Icn ist der Kurzschlussstrom, den der Leistungsschalter bei Bemessungsbetriebsspannung +10 %, Bemessungsfrequenz und festgelegtem Leistungsfaktor ausschalten kann. Es wird durch den Effektivwert der Wechselstromkomponente ausgedrückt. Hiernach wird dem angegebenen Schaltvermögen die Prüffolge O-t-CO-t-CO zugrunde gelegt. Zusätzlich kann noch das Schaltvermögen nach der verkürzten Schaltfolge O-t-CO angegeben werden.

BemessungsKurzschlussausschaltvermögen Icn

Leistungs- Zeitkonstante faktor

A

cos ϕ

ms

BemessungsKurzschlusseinschaltvermögen (Mindestwert) Icm = n • Icn

0,95 0,9 0,8 0,7 0,5 0,3 0,25 0,2

5 5 5 5 5 10 15 15

1,41 • Icn 1,42 • Icn 1,47 • Icn 1,5 • Icn 1,7 • Icn 2,0 • Icn 2,1 • Icn 2,2 • Icn

1500 3000 4500 6000 10000 20000 50000